2.2. Bộ nhớ và thiết bị lưu trữ ngoài

2.2.1. Cấu trúc phân cấp

2.2.2. Bộ nhớ trong

2.2.3. Thiết bị lưu trữ ngoài

2.2.1 Cấu trúc phân cấp

Các dạng lưu trữ

 Thanh ghi: Bộ nhớ tạm nằm trong CPU

 Bộ nhớ chính:chứa chương trình, dữ liệu.

 Thiêt bị lưu trữ ngoài: Hỗ trợ dung lượng cho việc lưu trữ chương trình, dữ liệu

 Bộ nhớ đệm/ẩn (Cache): được thiết kế nhằm làm giảm sự chênh lệch giữa các thành phần có tốc độ hoạt động khác nhau quá nhiều.

 Các chíp nhớ đặc biệt: Lưu trữ cấu hình hệ thống, chương trình khởi động

a. Các dạng lưu trữ dữ liệu (t)

 Bộ nhớ trong

• Dữ liệu và chương trình

đang được sử dụng bởi

CPU.

• Thông tin thường bị mất khi

tắt điện.

• Kết nối CPU: Bus cục bộ

• Công nghệ: Bán dẫn

 Thiết bị lưu trữ ngoài

• Dữ liệu và chương trình

được cất giữ ngay cả khi

không được sử dụng bởi

CPU.

• Thông tin không bị mất khi

tắt điện.

• Kết nối CPU: Kênh vào ra

• Công nghệ:

• Từ

• Quang

• Quang từ

• Bán dẫn

b. Sơ đồ phân cấp

2.2.2 Bộ nhớ trong

a.Tổ chức bộ nhớ

 Ô nhớ: bộ nhớ được chia nhỏ thành các ô có kích thước bằng nhau, mỗi ô được gán một địa chỉ duy nhất.

 Từ nhớ: Gồm số cố định các bit mà máy tính có thể xử lý đồng thời.

 Đường địa chỉ: Truyền giá trị số thứ tự của ô nhớ được

Kích thước ô nhớ là khác nhau đối với từng loại máy tính

truy nhập.

Motorola (Big endian) Intel (Little endian)

b. Thời gian truy nhập bộ nhớ

 Thời gian truy nhập/thâm nhập: Thời gian truy nhập là khoảng thời gian tính từ khi bộ xử lý gửi yêu cầu đọc/ghi dữ liệu tới bộ nhớ cho tới khi việc ghi và đọc đó được hoàn tất.

• Ví dụ: Thời gian truy nhập bộ nhớ trong = (1)+ (2) + (3)

 Chu kỳ: Thời gian giữa hai lần liên tiếp thâm nhập bộ nhớ

• Ví dụ: chu kỳ bộ nhớ với DRAM

c. Các dạng bộ nhớ trong

RAM (Random Access Memory)

 Đặc điểm

• Vào ra ngẫu nhiên: các ô nhớ có thể được

đọc hoặc viết vào trong khoảng thời gian

bằng nhau cho dù chúng ở bất kỳ vị trí nào trong bộ nhớ.

• Tốc độ truy nhập nhanh.

• Dữ liệu có thể bị ghi đè và mất khi tắt điện.

RAM(t)

 Phân loại:

• RAM tĩnh (SRAM: Static RAM):

• Mỗi phần tử nhớ (biểu diễn cho bit 0, 1) giữ trạng thái

cân bằng ổn định nếu không có tín hiệu điện phù hợp

kích thích làm cho nó thay đổi trạng thái.

• RAM động (DRAM: Dynamic RAM):

• Mỗi phần tử nhớ (1) sẽ thay đổi trạng thái (0) sau một

khoảng thời gian nhất định (do sự phóng điện) nếu nó

không được nạp điện (làm tươi).

 SRAM nhanh, đắt hơn DRAM,

• SRAM sử dụng làm cache

• DRAM sử dụng làm bộ nhớ chính

RAM (t)

 Một số DRAM thông dụng dùng làm bộ nhớ chính

• SDRAM (Synchronous

DRAM - DRAM đồng bộ),

một dạng DRAM đồng bộ

bus bộ nhớ. Tốc độ SDRA

đạt từ 66-133MHz (thời gia thâm nhập bộ nhớ từ 75ns

150ns).

• DDR SDRAM (Double Dat

Rate SDRAM) là cải tiến củ

bộ nhớ SDRAM với tốc độ

truyền tải gấp đôi SDRAM

(200, 400, 800, ...).

Tổ chức bộ nhớ DRAM

• 1 chíp nhớ: Dãy ô (gồm 1 bit nhớ ) tổ chức thành hàng(row) và cột (column)

• 1 module (thanh RAM)

gồm nhiều chíp nhớ

• Các chíp nhớ hợp lại

thành một bank để có

thể cung cấp đủ bit dữ liệu tương xứng với bus dữ liệu của CPU

ROM (Read Only Memory)

 Đặc điểm

• Bộ nhớ chỉ đọc, không ghi đè. Chương trình

trong ROM được viết vào lúc chế tạo.

• Lưu trữ dữ liệu ngay cả khi mất điện.

• Truy nhập ngẫu nhiên

ROM(t)

 Phân loại

• ROM mặt nạ (Mask ROM):

• Nội dung của Mask ROM đã được ghi sẵn bởi nhà

sản xuất và không thể ghi thêm hoặc ghi đè lên

nữa.

• Làm các chip nhớ trên bo mạch mẹ, lưu trữ các

chương trình xuất nhập cơ bản (Base Input/Out put

system - BIOS) của máy tính.

ROM(t)

 ROM lập trình được (User programmable

ROM)

• EPROM (Erasable Programmable ROM):

Chương trình nằm trong EPROM có thể được

viết vào (bằng điện) và có thể xóa (bằng tia cực tím).

• EEPROM (Electrically Erasable Programmable

Read Only Memory): Chương trình nằm trong

ROM có thể được viết vào và có thể xóa (bằng

điện).

• Lưu BIOS. Ngoài ra làm nó được sử dụng làm bộ nhớ cho

các thiết bị cầm tay hoặc camera số, hiện tại nó đang được

sử dụng như là một ổ cứng di động có kết nối cổng USB.

CMOS

 Đặc điểm

• Công nghệ chíp MOS: vỏ bọc gồm kim loại (Metal),

oxýt (Oxide) và chất bán dẫn (Semiconductor).

• Là mạch tích hợp ít tốn năng lượng, dữ liệu được duy

trì nhờ một pin nuôi (gọi là pin CMOS - CMOS battery)

• Được sử dụng (như một chip đặc biệt) làm đồng hồ

thời gian thực (Real time Clock) gắn trên bo mạch mẹ,

đồng thời để lưu trữ cấu hình cơ sở của hệ thống.

d. Cache

a. Các dạng Cache

 Bộ nhớ đệm ẩn (Memory Cache/CPU Cache): Chíp nhớ đặt trong hoặc sát CPU, tăng tốc độ truy nhập giữa bộ nhớ chính và CPU.

• Ví dụ : Các mức memor

cache trong máy IBM PC

L1, L2, L3

a. Các dạng Cache (t)

Bộ nhớ đĩa ẩn (Disk Cache): Một phần của bộ nhớ chính hoặc bộ nhớ của bảng mạch điều khiển đĩa, tăng tốc độ truy nhập giữa bộ nhớ chính và bộ nhớ

b. Đọc Cache

 Nguyên lý cục bộ:

Tại một thời điểm chương trình chỉ truy nhập một phần tương đối nhỏ không gian địa chỉ của nó

• Cục bộ hoá về thời gian

• Cục bộ hoá về không gian

 Sự kiện

• Cache hit: Dữ liệu cần tìm nằm trong Cache

• Cache miss: Dữ liệu cần tìm nằm trong bộ nhớ chính

c. Ghi cache

 Ghi đồng thời (write through)

• Ghi lại đồng thời trong cache và trong bộ nhớ

• Tỉ số đọc/ghi lớn

 Lưu lần cuối (copy back)

• Ghi lại nội dung bị thay đổi của một phần tử

trong cache trước khi phần tử đó bị loại bỏ

khỏi cache

• Tỉ số ghi/đọc lớn

2.2.3. Thiết bị lưu trữ ngoài

a. Đĩa cứng và ổ đĩa cứng

 Đĩa cứng và Ổ đĩa cứng

 Hiệu năng

 RAID

b. Các thiết bị nhớ

khác (tk)

1 byte = 8 bit;

1 Kbyte = 1024 byte;

1 Mbyte = 1.000.000 byte;

1 Gbyte = 1000 Mbyte =

1.000.000.000 byte;

1 Tbyte = 1000

Gbyte=1.000.000

Mbyte=1.000.000.000 byte

Cấu tạo bên trong ổ cứng

Kết nối ổ cứng vào máy tính

Chuẩn giao tiếp: IDE

Intergrated Drive Electronics , SCSI Small Computer System Interface , SATA Serial Advanced Technology

Ổ đĩa cứng

 Đĩa từ :

• Làm bằng nhôm hoặc

hợp chất gốm thuỷ

tinh, được phủ một lớp từ và lớp bảo vệ ở cả

2 mặt,

• Các đĩa được xếp

chồng và cùng gắn với

một trục mô tơ quay nên tất cả các đĩa đều quay cùng tốc độ.

 Đầu từ đọc - ghi : Mỗi mặt đĩa có một đầu đọc

& ghi

 Mô tơ hoặc cuộn dây điều khiển các đầu từ : giúp các đầu từ dịch chuyển ngang trên bề mặt đĩa để chúng có thể ghi hay đọc dữ liệu.

 Mạch điều khiển : Là mạch điện nằm phía sau

ổ cứng, mạch này có các chức năng :

• Điều khiển tốc độ quay đĩa

• Điều khiển dịch chuyển các đầu từ

• Mã hoá và giải mã các tín hiệu ghi và đọc

Đĩa cứng

 Rãnh ghi (track): Đường tròn đồng tâm lưu dữ liệu, dung lượng bằng nhau.

 Sector (cung): Các phần bằng nhau trên một track

 Từ trụ (cylinder):

Nhóm các track có cùng bán kính trên các đĩa thành phần

Ổ đĩa cứng (t)

 Ghi và đọc dữ liệu

• Đầu đọc/ghi di chuyển đồng thời

theo một đường thằng dọc theo

bán kính các đĩa, đĩa quay theo một chiều cố định.

• Đọc/ ghi theo (liên) cung

• Kiểm tra chẵn lẻ : Một bit được

thêm dữ liệu cho phép kiểm tra lỗi

đọc ghi.

Hiệu năng

 Dung lượng

= Dung lượng 1 track * track/cylinder* số cylinder

 Thời gian truy nhập

= Thời gian dịch chuyển trung bình + Thời gian tìm kiếm trung bình +Thời gian truyền dữ liệu

Định dạng đĩa cứng

 Định dạng vật lý hay định dạng cấp thấp

• Sử dụng chương trình định dạng để tạo các đường

Track

• Chia các Track thành các Sector và điền các thông tin

bắt đầu và kết thúc cho mỗi Sector

 Phân vùng

• Chia ổ đĩa vật lý thành nhiều ổ logic

 Định dạng cấp cao

• Nhóm các Sector lại thành các Cluster sau đó đánh

địa chỉ cho các Cluster này. Cluster có từ 8 đến 64

Sector ( tuỳ theo lựa chọn ) hay tương đương với 4

đến 32KB

RAID_Redundant Array of Independent

Disks

 RAID: Công nghệ cho phép tăng hiệu năng và khả năng chịu lỗi của hệ thống bằng cách sử dụng nhiều đĩa cứng để sao lưu và khôi phục dữ liệu khi có sự cố.

• Tăng hiệu năng: Xắt lát" đĩa (disk stripping) - phân tán

nhiều bytes hoặc nhiều nhóm bytes trên nhiều đĩa

cứng, do vậy có nhiều đĩa cứng cùng thực hiện thao tác đọc (reading) và ghi (writing) đồng thời.

• Tăng khả năng chịu lỗi: Tạo đĩa ảnh (disk mirroring)

hoặc tái tạo dữ liệu theo phương thức kiểm tra chẵn lẻ

(parity checking).

RAID (t)

 Công nghệ RAID sử dụng một bộ điều khiển đĩa đặc biệt có hỗ trợ chức năng RAID. Khi một ổ đĩa bị hư, ta có thể thay nó bằng một ổ đĩa mới và Bộ điều khiển RAID (RAID controller) sẽ tự động tái xây dựng dữ liệu đã mất cho ổ đĩa mới.

 Công nghệ RAID ban đầu được thiết kế chuyên dùng cho server (máy chủ) và các hệ thống lưu trữ chuyên biệt (Stand-alone disk storage system).

 Ngày nay, tất cả các máy tính để bàn (desktop PC) có thể chuyển thành hệ thống RAID bằng cách gắn thêm một RAID Controller Card (Card Điều khiển RAID) và một số lượng thích hợp các ổ đĩa cứng IDE hoặc SCSI .

RAID

 Có nhiều mức RAID.

• RAID0

• RAID1

• ...

• RAID6

RAID0

 RAID mức 0 hay còn gọi là RAID0:

• Dữ liệu được phân tán ra nhiều đĩa (ít nhất là 2 đĩa)

nên không hỗ trợ khả năng chịu lỗi vì không có đĩa dự

phòng

RAID1

 RAID mức 1 hay còn gọi là RAID1:phương pháp tạo đĩa ảnh (mirroring)

• Sử dụng một đĩa cứng

mới làm đĩa dự phòng

cho đĩa chính, sao lưu toàn bộ nội dung của đĩa chính.

RAID3

Parity với toán tử XOR:

b. Các thiết bị nhớ khác (tk)

Chỉ mục

 Access time: Thời gian truy nhập

 CD-ROM (Compact Disc Read Only Memory)

 Cycle time: Chu kỳ truy nhập

 DRAM (Dynamic Random Access Memory): Bộ nhớ RAM động

 DVD (Digital Video Disk)

 Floptical: Đĩa mềm quang

 Flopy disk : Đĩa mềm

 Hard Disk/ Fixed Disk: Đĩa cứng

 Magne Optical: Quang từ

 Magnetic Tape: Băng từ

 Mask ROM: ROM mặt nạ

 RAM (Random Access Memory): Bộ nhớ truy nhập ngẫu nhiên

 ROM (Read Only Memory): Bộ nhớ chỉ đọc

 SRAM (Static Random Access Memory): Bộ nhớ RAM tĩnh

 User programmable ROM: ROM lập trình được

 WORM (Write Once Read Many): Ghi một lần đọc nhiều lần

Phụ lục

 Mạch nhớ bán dẫn

• RAM

• DRAM

• SRAM

• ROM

• Mask ROM

• User programmable

ROM

• MOS

• CMOS

 Từ

• Phần tử từ bị từ hoá tạo giá trị 0 và 1

• Đĩa mềm

• Đĩa cứng (PC)

• Băng từ

 Quang

• Các gờ phẳng (land) và hốc lõm (pit) phản xạ

ánh sáng khác nhau tạo giá trị bit 0,1

• CD-ROM

• DVD

 Quang từ

• Các tia phản xạ qua các tinh thể phân cực

theo 2 hướng khác nhau tạo bit giá trị 0,1

• Đĩa quang từ

• Đĩa mềm quang

Tổ chức bộ nhớ

Giải mã địa chỉ một bước

 Tổ chức bộ nhớ với sự lựa chọn ô nhớ tuyến tính

 Số ô nhớ có thể được địa chỉ hóa:

2p ( p: Số đường dây địa chỉ)

Tổ chức bộ nhớ

Giải mã địa chỉ hai bước

 Tổ chức bộ nhớ với sự lựa chọn ô nhớ được phân làm hai bước (ma trận nxn)

• Bước 1: Chọn hàng

• Bước 2: Chọn ô nhớ

trên hàng

 Số ô nhớ được địa chỉ hoá 2p ( p: Số đường dây địa chỉ)

• Số đầu ra của các bộ

giải mã giảm

Tổ chức bộ nhớ

Giải mã địa chỉ Multiplex

 Tổ chức bộ nhớ như đốI với giải mã địa chỉ hai bước

 Truyền lần lượt địa chỉ hàng và địa chỉ cột trên cùng một số dây

• Số đường dây địa chỉ

giảm.

• Số đầu ra cho bộ giải mã

giảm