›
›

Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 4: Bộ nhớ. Phân cấp bộ nhớ - Nguyễn Đức Minh

pdf 63 trang hapham 2570
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 4: Bộ nhớ. Phân cấp bộ nhớ - Nguyễn Đức Minh", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfbai_giang_kien_truc_may_tinh_chuong_4_bo_nho_phan_cap_bo_nho.pdf

Nội dung text: Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 4: Bộ nhớ. Phân cấp bộ nhớ - Nguyễn Đức Minh

  1. KIẾN TRÚC MÁY TÍNH ET4270 TS. Nguyễn Đức Minh [Adapted from Computer Organization and Design, 4th Edition, Patterson & Hennessy, © 2008, MK] [Adapted from Computer Architecture lecture slides, Mary Jane Irwin, © 2008, PennState University] Chương 4. Bộ nhớ - Phân cấp bộ nhớ 1 SET-HUST, 22/03/2011
  2. Tổ chức lớp Số tín chỉ 3 (3-1-1-6) Giảng viên TS. Nguyễn Đức Minh Văn phòng C9-401 Email minhnd1@gmail,com Website Sách Computer Org and Design, 3rd Ed., Patterson &Hennessy, ©2007 Digital Design and Computer Architecture, David Money Harris Thí nghiệm 3 bài Bài tập Theo chương, đề bài xem trên trang web Giới thiệu 2 HUST-FET, 17/04/2011
  3. Điểm số Điều kiện thi Lab Bài thi giữa kỳ 30% Bài tập 20% (Tối đa 100 điểm) Tiến trình 10% Tối đa: 100 điểm, Bắt đầu: 50 điểm Tích lũy, trừ qua trả lời câu hỏi trên lớp và đóng góp tổ chức lớp Bài thi cuối kỳ 70% Giới thiệu 3 HUST-FET, 17/04/2011
  4. Lịch học  Thời gian:  Từ 14h00 đến 17h20  Lý thuyết: 11 buổi x 135 phút / 1 buổi  Bài tập: 4 buổi x 135 phút / 1 buổi  Thay đổi lịch (nghỉ, học bù) sẽ được thông báo trên website trước 2 ngày Giới thiệu 4 HUST-FET, 17/04/2011
  5. Tổng kết chương 3  Tất cả các bộ xử lý hiện đại đều dùng pipeline để tăng hiệu suất (CPI=1 và đồng hồ nhanh - fc lớn)  Tốc độ đồng hồ pipeline bị giới hạn bởi giai đoạn pipeline chậm nhất – thiết kế pipeline cân bằng là rất quan trọng  Cần phát hiện và giải quyết xung đột trong pipeline  Xung cấu trúc – giải quyết: thiết kế pipeline đúng  Xung đột dữ liệu - Dừng (ảnh hưởng CPI) - Chuyển tiếp (cần phần cứng hỗ trợ)  Xung đột điều khiển – đặt phần cứng quyết định rẽ nhánh lên các trạng thái đầu trong pipeline - Dừng (ảnh hưởng CPI) - Rẽ nhánh chậm (cần hỗ trợ của trình dịch) - Dự đoán rẽ nhánh tĩnh và động (cần phần cứng hỗ trợ)  Xử lý ngắt trong pipeline phức tạp 5 HUST-FET, 17/04/2011
  6. Nhắc lại: Các thành phần cơ bản của máy tính Processor Devices Control Memory Input Datapath Output Memory Main Cache Secondary Memory (Disk) Chương 4. Bộ nhớ - Phân cấp bộ nhớ 6 SET-HUST, 22/03/2011
  7. Nội dung  Phân cấp bộ nhớ trong máy tính  Mục đích  Tính khả thi Processor Devices  Bộ đệm cơ bản Control Memory Input  Nguyên lý  Cấu trúc Datapath Output  Hoạt động  Hiệu năng  Phương pháp tăng hiệu năng Cache Memory Main Main Secondary Memory  Bộ đệm kết hợp (Disk)  Bộ đệm đa mức  Bộ nhớ ảo Chương 4. Bộ nhớ - Phân cấp bộ nhớ 7 SET-HUST, 22/03/2011
  8. Processor-Memory Performance Gap µProc 55%/year 10000 (2X/1.5yr) “Moore’s Law” 1000 Processor-Memory 100 Performance Gap (grows 50%/year) Performance 10 DRAM 7%/year 1 (2X/10yrs) 1980 1984 1988 1992 1996 2000 2004 Year Chương 4. Bộ nhớ - Phân cấp bộ nhớ 8 SET-HUST, 22/03/2011
  9. “Bức tường bộ nhớ”  Chênh lệch tốc độ bộ xử lý và RAM động tiếp tục tăng 1000 100 10 Core Memory 1 0.1 Clocks per instruction per Clocks Clocks per DRAM accessDRAM per Clocks 0.01 VAX/1980 PPro/1996 2010+  Phân cấp bộ nhớ (bộ đệm) ngày càng quan trọng để tăng hiệu năng chung Chương 4. Bộ nhớ - Phân cấp bộ nhớ 9 SET-HUST, 22/03/2011
  10. Mục tiêu của phân cấp bộ nhớ  Thực tế: Bộ nhớ lớn chậm, bộ nhớ nhanh nhỏ  Bằng cách nào tạo ra 1 bộ nhớ có vẻ lớn, rẻ và nhanh (trong hầu hết thời gian)?  Bằng phân cấp bộ nhớ  Bằng song song Chương 4. Bộ nhớ - Phân cấp bộ nhớ 10 SET-HUST, 22/03/2011
  11. Phân cấp bộ nhớ thông thường  Tập dụng nguyên tắc “cục bô” để cung cấp cho người dùng kích thước bộ nhớ lớn như công nghệ bộ nhớ rẻ rất nhưng ở tốc độ cao như công nghệ bộ nhớ nhanh nhất On-Chip Components Control Cache Instr ITLB Second Secondary Level Main Memory RegFile Cache Memory (Disk) Datapath DTLB Data Cache (SRAM) (DRAM) Speed (%cycles): ½’s 1’s 10’s 100’s 10,000’s Size (bytes): 100’s 10K’s M’s G’s T’s Cost: highest lowest Chương 4. Bộ nhớ - Phân cấp bộ nhớ 11 SET-HUST, 22/03/2011
  12. Phân cấp bộ nhớ: Tại sao nó hoạt động?  Cục bộ theo thời gian  Nếu một vị trí bộ nhớ được truy cập thì nó sẽ sớm được truy cập lại Lưu các dữ liệu vừa được truy cập nhiều nhất ở gần bộ xử lý  Cục bộ theo không gian  Nếu một vị trí bộ nhớ được truy cập thì các vị trí có địa chỉ gần đó sẽ sớm được truy cập Đưa các khối bộ nhớ chứa các từ cạnh nhau đến gần bộ xử lý hơn Chương 4. Bộ nhớ - Phân cấp bộ nhớ 12 SET-HUST, 22/03/2011
  13. Tính cục bộ Tính cục bộ theo Address mapping 9-instruction không gian và (many-to-one) program loop thời gian Cache Cache line/block memory (unit of transfer between main and cache memories) Main memory Chương 4. Bộ nhớ - Phân cấp bộ nhớ 13 SET-HUST, 22/03/2011
  14. Các mức phân cấp bộ nhớ Processor Tính bao hàm 4-8 bytes (word) – Nội dung trong L1$ là 1 Tăng L1$ tập con của khoảng 8-32 bytes (block) nội dung cách từ bộ L2$ trong L2$; là xử lý theo 1 to 4 blocks tập con nội thời gian dung trong Main Memory truy cập MM; là tập 1,024+ bytes (disk sector = pagecon )nội dung trong SM Secondary Memory Kích thước (tương đối) của bộ nhớ ở mỗi mức Chương 4. Bộ nhớ - Phân cấp bộ nhớ 14 SET-HUST, 22/03/2011
  15. Phân cấp bộ nhớ: Khái niệm  Khối (hoặc đường): đơn vị thông tin nhỏ nhất có (hoặc không có) trong bộ đệm – lượng thông tin nhỏ nhất được di chuyển giữa 2 bộ nhớ ở 2 mức liên tiếp trong phân cấp  Tỷ lệ trúng (Hit Rate): Tỷ lệ số lần truy cập bộ nhớ tìm thấy ở 1 mức trong phân cấp bộ nhớ  Thời gian trúng (Hit Time): Thời gian truy cập mức bộ nhớ đó trong phân cấp bộ nhớ Thời gian truy cập 1 khối + Thời gian xác định trúng/trượt  Tỷ lệ trượt (Miss Rate): Tỷ lệ số lần truy cập bộ nhớ không tìm thấy ở 1 mức trong phân cấp bộ nhớ 1 - (Hit Rate)  Tổn thất trượt (Miss Penalty): Thời gian thay thế 1 khối ở mức bộ nhớ đó bằng khối tương ứng từ mức bộ nhớ thấp hơn Thời gian truy cập khối ở mức thấp hơn + Thời gian truyền khối đến mức bộ nhớ có sự trượt + Thời gian chèn khối váo mức đó + Thời gian đưa dữ liệu tới nơi yêu cầu Hit Time << Miss Penalty Chương 4. Bộ nhớ - Phân cấp bộ nhớ 15 SET-HUST, 22/03/2011
  16. Quản lý sự dịch chuyển dữ liệu giữa các mức  Thanh ghi  Bộ nhớ  Trình biên dịch (người lập trình?)  Bộ đệm  bộ nhớ chính  Phần cứng điều khiển bộ đệm  Bộ nhớ chính  Đĩa  Hệ điều hành (bộ nhớ ảo)  Ánh xạ địa chỉ ảo và địa chỉ vật lý nhờ phần cứng (Translation Lookaside Buffer)  Người lập trình (các tệp) Chương 4. Bộ nhớ - Phân cấp bộ nhớ 16 SET-HUST, 22/03/2011
  17. Cơ sở bộ đệm  Trả lời 2 câu hỏi ở phần cứng:  Q1: Một mục dữ liệu có trong bộ đệm hay không?  Q2: Một mục dữ liệu ở đâu trong bộ đệm?  Ánh xạ trực tiếp  Mỗi khối bộ nhớ được ánh xạ vào chính xác 1 khối trong bộ đệm - Nhiều khối trong bộ nhớ ở mức thấp cùng chia sẻ 1 khối trong bộ đệm  Ánh xạ bộ nhớ (trả lời câu hỏi Q2): (block address) modulo (# of blocks in the cache)  Có trường thẻ(tag) gắn với mỗi khối bộ đệm, chứa thông tin địa chỉ (các bít cao của địa chỉ) cần cho việc xác định khối (trả lời câu hỏi Q1) Chương 4. Bộ nhớ - Phân cấp bộ nhớ 17 SET-HUST, 22/03/2011
  18. Ví dụ 4.1. Bộ đệm ánh xạ trực tiếp đơn giản Bộ nhớ chính: 16 khối 1 từ 0000xx Bộ đệm: 4 khối nhớ 0001xx Các khối 1 từ: 2 bít 0010xx thấp dùng để xác định Index Valid Tag Data các byte trong từ (32b 0011xx words) 00 0100xx 01 0101xx 10 0110xx 11 0111xx Q2: Vị trí các từ trong 1000xx bộ đệm? Q1: Có trong bộ đệm 1001xx không? 1010xx Dùng 2 bít thấp tiếp 1011xx theo của địa chỉ –chỉ So sánh trường thẻ bộ 1100xx số – để xác định khối đệm với 2 bit cao của 1101xx bộ đệm nào (i.e., chia địa chỉ bộ nhớ để xác 1110xx lấy dư cho số khối định khối dữ liệu có 1111xx trong bộ đệm) trong bộ đệm không? (block address) modulo (# of blocks in the cache) Chương 4. Bộ nhớ - Phân cấp bộ nhớ 18 SET-HUST, 22/03/2011
  19. Truy cập ô nhớ với bộ đệm ánh xạ trực tiếp  Xét việc truy cập các ô nhớ trong bộ nhớ Bắt đầu với bộ đệm rỗng – tất cả 0 1 2 3 4 3 4 15 các khối trong bộ đệm được đánh dấu không hợp lệ 0 1 2 3 4 3 4 15 Chương 4. Bộ nhớ - Phân cấp bộ nhớ 19 SET-HUST, 22/03/2011
  20. Ví dụ 4.2. Bộ đệm ánh xạ trực tiếp MIPS  Các khối 1 từ, kích thước bộ đệm = 1K từ (hay 4KB) Byte 31 30 . . . 13 12 11 . . . 2 1 0 offset Tag Hit 20 10 Data Index Index Valid Tag Data 0 1 2 . . . 1021 1022 1023 20 32 Tính cục bộ nào sẽ được tận dụng? Chương 4. Bộ nhớ - Phân cấp bộ nhớ 20 SET-HUST, 22/03/2011
  21. Bộ đệm ánh xạ trực tiếp khối nhiều từ  Khối 4 từ, Kích thước bộ đệm = 1K words 31 30 . . . 13 12 11 . . . 4 3 2 1 0 Byte Hit offset Data Tag 20 8 Block offset Index IndexValid Tag Data 0 1 2 . . . 253 254 255 20 32 Tính cục bộ nào sẽ được tận dụng? Chương 4. Bộ nhớ - Phân cấp bộ nhớ 21 SET-HUST, 22/03/2011
  22. Tận dụng tính cục bộ không gian  Các khối trong bộ đệm chứa hơn 1 từ Bắt đầu với bộ đệm rỗng – tất cả 0 1 2 3 4 3 4 15 các khối trong bộ đệm được đánh dấu không hợp lệ 0 1 2 3 4 3 4 15 Chương 4. Bộ nhớ - Phân cấp bộ nhớ 22 SET-HUST, 22/03/2011
  23. Tỉ lệ trượt vs Kích thước khối vs Kích thước bộ đệm 10 8 KB 16 KB 5 64 KB 256 KB Miss rate (%) rate Miss 0 16 32 64 128 256 Block size (bytes)  Tỉ lệ trượt tăng khi kích thước khối trở nên đáng kể so với kích thước bộ đệm vì với cũng kích thước bộ đệm số khối có thể lưu giữ giảm (tăng trượt do dung lượng)  Tăng kích thước khối làm tổn thất trượt Chương 4. Bộ nhớ - Phân cấp bộ nhớ 23 SET-HUST, 22/03/2011
  24. Kích thước các trường trong bộ đệm  Số bit trong bộ đệm gồm bit cho dữ liệu và bit cho các trường thẻ  Địa chỉ byte 32 bit  Bộ đệm ánh xạ trực tiếp 2n khối, n bits cho trường index  Kích thước khối là 2m từ (2m+2 bytes), m bits cho trường block offset xác định vị trí từ trong khối; 2 bits cho trường byte offset xác định vị trí byte trong từ  Kích thước trường tag sẽ là?  Tổng số bít trong bộ đệm ánh xạ trực tiếp sẽ là  Cần bao nhiêu bit cho bộ đệm ánh xạ trực tiếp kích thước 16KB dữ liệu, kích thước khối là 4 từ và dữ liệu được đánh địa chỉ bằng 32 bit? Chương 4. Bộ nhớ - Phân cấp bộ nhớ 24 SET-HUST, 22/03/2011
  25. Xử lý trúng bộ đệm  Đọc trúng (I$ và D$)  Đó là điều ta cần!  Ghi trúng (chỉ với D$)  yêu cầu bộ đệm và bộ nhớ phải thống nhất - luôn ghi dữ liệu vào cả khối bộ đệm và vào bộ nhớ ở mức kế tiếp (ghi xuyên - write-through) - ghi với tốc độ của bộ nhớ ở mức kế tiếp – chậm hơn! – sử dụng bộ đệm ghi (write buffer) và chỉ dừng khi bộ đệm ghi đầy  cho phép bộ đệm và bộ nhớ không thống nhất - chỉ ghi dữ liệu vào bộ đệm (ghi lại write-back khối bộ đệm vào bộ nhớ ở mức kế tiếp khi khối bộ đệm bị lấy lại) - cần 1 bít bẩn (dirty) cho mỗi khối bộ đệm để chỉ ra là khối đó cần được ghi lại vào bộ nhó khi nó bị lấy lại – có thể dùng bộ đệm ghi để tăng tốc việc ghi lại các khối bộ đệm bẩn Chương 4. Bộ nhớ - Phân cấp bộ nhớ 25 SET-HUST, 22/03/2011
  26. Xử lý trượt bộ đệm (Khối kích thước 1 từ)  Đọc trượt (I$ và D$): mất thời gian read_miss_penalty  dừng đường ống, nạp khối từ bộ nhớ ở mức kế tiếp, đưa vào bộ đệm và gửi từ được yêu cầu tới bộ xử lý, tiếp tục đường ống  Ghi trượt (D$) mất thời gian write_miss_penalty và write_buffer_stalls  Cấp phát và ghi – Đầu tiên đọc khối từ bộ nhớ và ghi từ vào khối or  Không cấp phát và ghi– bỏ qua việc ghi vào bộ đệm; ghi từ vào bộ đệm ghi (tức là sẽ ghi vào bộ nhớ ở mức kết tiếp), không cần dừng nếu bộ đệm ghi không đầy Chương 4. Bộ nhớ - Phân cấp bộ nhớ 26 SET-HUST, 22/03/2011
  27. Đo hiệu năng bộ đệm  Giả sử thời gian truy cập bộ nhớ khi trúng bộ đệm được bao gồm trong 1 chu kỳ thực hiện thông thường của CPU thì: Tcpu I CPI Tc I (CPI ideal MemStallC) Tc CPIstall  Số chu kỳ MemStallC là tổn thất trượt là tổng của read- stalls và write-stalls  Với bộ đệm ghi xuyên, ta có công thức đơn giản Chương 4. Bộ nhớ - Phân cấp bộ nhớ 28 SET-HUST, 22/03/2011
  28. Ảnh hưởng của hiệu năng bộ đệm  Tổn thất tương đối của bộ đệm sẽ tăng khi hiệu năng bộ xử lý tăng (tăng tốc độ đồng hồ và/hoặc giảm CPI)  Tốc độ bộ nhớ không được cải thiện nhanh nhu tốc độ bộ xử lý. Tổn thất trượt dùng để tính CPIstall được đo theo số chu kỳ bộ xử lý cần thiết để xử lý trượt  CPIideal càng thấp thì ảnh hưởng của dừng do trượt càng lớn  Bộ xử lý với CPIideal = 2, tổn thất trượt là 100, 36% là lệnh load/store, tỉ lệ trượt bộ nhớ I$ là 2% và bộ nhớ D$ là 4%  Nếu CPIideal giảm xuống 1? 0.5? 0.25?  Nếu tỉ lệ trượt bộ nhớ D$ tăng lên 1%? 2%?  Nếu tốc độ đồng hồ CPU tăng gấp 2 (tổn hao trượt tăng gấp 2)? Chương 4. Bộ nhớ - Phân cấp bộ nhớ 29 SET-HUST, 22/03/2011
  29. Thời gian truy cập bộ nhớ trung bình (AMAT)  Bộ đệm lớn sẽ có thời gian truy cập lớn. Làm tăng thời gian truy cập khi trúng cần 1 giai đoạn pipeline.  Khi tăng kích thước bộ đệm cải tiến tỉ lệ trúng nhưng làm tăng thời gian truy cập trúng sẽ đến điểm mà thời gian truy cập bộ đệm lớn sẽ vượt qua cải tiến do tăng tỉ lệ trúng làm giảm hiệu năng  Thời gian truy cập bộ nhớ trung bình (Average Memory Access Time - AMAT) là thời gian truy cập bộ nhớ khi tính cả 2 trường hợp trúng và trượt bộ đệm  Tính AMAT cho 1 bộ xử lý có chu kỳ đồng hồ 20 psec, tổn thất trượt 50 chu kỳ, tỉ lệ trượt 0.02/1 lệnh và thời gian truy cập bộ đệm 1 chu kỳ? Chương 4. Bộ nhớ - Phân cấp bộ nhớ 30 SET-HUST, 22/03/2011
  30. Nguyên nhân trượt bộ đệm  Không tránh được:  Lần đầu truy cập khối  Giải pháp: tăng kích thước khối (làm tăng tổn thất trượt, khối rất lớn làm tăng tỉ lệ trượt)  Dung lượng:  Bộ đệm không thể chứa toàn bộ các khối truy cập bởi chương trình  Giải pháp: tăng kích thước bộ đệm (có thể làm tăng thời gian truy cập)  Xung đột:  Nhiều vị trí bộ nhớ cùng được ánh xạ vào 1 vị trí bộ đệm  Giải pháp 1: tăng kích thước bộ đệm  Giải pháp 2: tăng độ kết hợp trong bộ đệm (có thể tăng thời gian truy cập) Chương 4. Bộ nhớ - Phân cấp bộ nhớ 31 SET-HUST, 22/03/2011
  31. Yêu cầu với hệ thống bộ nhớ  Tương thích với các đặc điểm của bộ đệm  bộ đệm truy cập 1 khối mỗi lần (nhiều hơn 1 từ)  Tương thích với đặc điểm của DRAM  Sử dụng DRAM hỗ trợ truy cập nhanh nhiều từ, ưu tiên các DRAM tương thích với kích thước khối của bộ đệm  Tương thích với đặc điểm của bus bộ nhớ  Bus bộ nhớ phải hỗ trợ được tốc độ truy cập DRAM và cách truy cập  Cho phép tăng băng thông giữa bus bộ nhớ và bộ đệm Chương 4. Bộ nhớ - Phân cấp bộ nhớ 32 SET-HUST, 22/03/2011
  32. Hệ thống bộ nhớ hỗ trợ bộ đệm  Kết nối bên ngoài chip và kiến trúc bộ nhớ ảnh hưởng đến hiệu năng tổng thể của hệ thống rất nhiều Cấu trúc 1 từ (bus rộng 1 từ và bộ nhớ có các ô on-chip nhớ 1 từ) CPU  Giả sử 1. 1 chu kỳ bus bộ nhớ dùng để gửi địa chỉ Cache addr 2. 15 chu kỳ để đọc từ thứ nhất trong khối từ DRAM (thời gian chu kỳ 1 dòng), 5 chu kỳ bus 32-bit data cho các từ thứ 2, 3, 4 (thời gian truy cập & 32-bit addr cột) per cycle DRAM 3. 1 chu kỳ để trả về 1 từ dữ liệu Memory  Băng thông từ bus bộ nhớ đến bộ đệm  số byte truy cập từ bộ nhớ và được truyền đến bộ đệm/CPU trong mỗi chu kỳ bus Chương 4. Bộ nhớ - Phân cấp bộ nhớ 33 SET-HUST, 22/03/2011
  33. Hoạt động của (DDR) SDRAM Column +1  Truy cập dòng: đọc vào Address N cols thanh ghi SRAM  DRAM Truy cập cột Row  Chuyển 1 chuỗi các dữ liệu (lý Address tưởng là 1 khối bộ đệm) ở các địa rows N chỉ liên tiếp trong hàng - Đồng hồ bus bộ nhớ sẽ điều khiển việc chuyền chuỗi các dữ N x M SRAM liệu M bit planes M-bit Output Cycle Time 1st M-bit Access 2nd M-bit 3rd M-bit 4th M-bit RAS CAS Row Address Col Address Row Add Chương 4. Bộ nhớ - Phân cấp bộ nhớ 34 SET-HUST, 22/03/2011
  34. Bus rộng 1 từ; Khối 1 từ  Khi kích thước khối là 1 từ, truy cập bộ on-chip nhớ gây ra trượt bộ đệm sẽ gây ra dừng pipeline trong số chu kỳ cần để CPU trả về 1 từ dữ liệu từ bộ nhớ 1 chu kỳ bus bộ nhớ để gửi địa chỉ Cache 15 chu kỳ bus bộ nhớ để đọc hàng DRAM 1 chu kỳ bus bộ nhớ để trả về dữ liệu bus 17 tổng số chu kỳ tổn thất trượt DRAM  Số byte chuyển trong 1 chu kỳ (băng Memory thông) cho 1 lần trượt là 4/17 = 0.235 byte/chu kỳ bus bộ nhớ Chương 4. Bộ nhớ - Phân cấp bộ nhớ 35 SET-HUST, 22/03/2011
  35. Bus rộng 1 từ; Khối 4 từ  Khi các từ của khối nằm ở các hàng khác on-chip nhau? CPU 1 chu kỳ gửi địa chỉ 1st 4 x 15 = 60 chu kỳ đọc từ hàng DRAM 1 chu kỳ trả về từ cuối Cache 62 tổng chu kỳ tổn thất trượt bus 15 cycles 15 cycles 15 cycles DRAM 15 cycles Memory  Số byte chuyển trong 1 chu kỳ (băng thông) cho 1 lần trượt là (4 x 4)/62 = 0.258 byte/chu kỳ Chương 4. Bộ nhớ - Phân cấp bộ nhớ 36 SET-HUST, 22/03/2011
  36. Bus rộng 1 từ; Khối 4 từ  Khi các khối ở cùng 1 hàng? on-chip 1 chu kỳ gửi địa chỉ 1st CPU 15 + 3*5 = 30 chu kỳ đọc từ hàng DRAM 1 chu kỳ trả về từ cuối Cache 32 tổng chu kỳ tổn thất trượt bus 15 cycles 5 cycles 5 cycles DRAM 5 cycles Memory  Số byte chuyển trong 1 chu kỳ (băng thông) cho 1 lần trượt là (4 x 4)/32 = 0.5 byte/chu kỳ Chương 4. Bộ nhớ - Phân cấp bộ nhớ 37 SET-HUST, 22/03/2011
  37. Bộ nhớ xen kẽ; Bus độ rộng 4 từ  4 hàng trong các băng được đọc on-chip đồng thời CPU 1 chu kỳ gửi địa chỉ thứ 1st 15 chu kỳ đọc các băng DRAM Cache 4*1 = 4 chu kỳ trả về dữ liệu 20 tổng chu kỳ tổn thất trượt bus 15 cycles DRAM DRAM DRAM DRAM 15 cycles Memory Memory Memory Memory 15 cycles bank 0 bank 1 bank 2 bank 3 15 cycles  Số byte chuyển trong 1 chu kỳ (băng thông) cho 1 lần trượt là (4 x 4)/20 = 0.8 byte/ chu kỳ Chương 4. Bộ nhớ - Phân cấp bộ nhớ 38 SET-HUST, 22/03/2011
  38. Giảm tỉ lệ trượt bộ đêm #1 1. Cho phép đặt các khối linh hoạt hơn  Ở bộ đệm ánh xạ trực tiếp 1 khối bộ nhớ được ánh xạ vào chính xác 1 khối bộ đệm  Ở 1 thái cực khác, 1 khối bộ nhớ có thể được ánh xạ vào bất cứ khối bộ đệm nào – bộ đệm kết hợp toàn phần (fully associative cache)  Cách thỏa hiệp: chia bộ đệm thành các tập (sets); mỗi tập gồm n đường (kết hợp n đường - n-way set associative). Mỗi khối bộ nhớ được ánh xạ vào 1 tập duy nhất (xác định bằng trường index) và có thể được đặt vào đường bất kỳ trong tập (có n lựa chọn) index = (block address) modulo (# sets in the cache) Chương 4. Bộ nhớ - Phân cấp bộ nhớ 39 SET-HUST, 22/03/2011
  39. Truy cập ô nhớ trong bộ đệm ánh xạ trực tiếp  Giả sử truy cập vào các ô nhớ 0 4 0 4 0 4 0 4 Bắt đầu với bộ đêm rỗng – tất cả các khối được đánh dấu không hợp lệ 0 4 0 4 0 4 0 4 Chương 4. Bộ nhớ - Phân cấp bộ nhớ 40 SET-HUST, 22/03/2011
  40. Bộ đệm kết hợp n đường Bộ nhớ chính 16 khối 1 từ 0000xx Khối 1 từ, 2 bit thấp Bộ đệm: 4 khối, 2 tập 0001xx cuối dùng để xác định 0010xx Way Set V Tag Data byte trong từ (từ 32b) 0011xx 0 0 0100xx 1 0101xx 0 0110xx 1 1 0111xx 1000xx Q2: Vị trí từ trong bộ 1001xx đệm? Q1: Có trong bộ đệm 1010xx Sử dụng bít thấp tiếp không? 1011xx 1100xx theo để xác định tập (i.e., chia lấy phần dư So sánh tất cả các thẻ 1101xx cho số tập trong bộ trong tập với 3 bít địa 1110xx đệm) chỉ cao 1111xx Chương 4. Bộ nhớ - Phân cấp bộ nhớ 41 SET-HUST, 22/03/2011
  41. Truy cập ô nhớ trong bộ đệm kết hợp 2 đường  Giả sử truy cập vào các ô nhớ 0 4 0 4 0 4 0 4 Bắt đầu với bộ đêm rỗng – tất cả các khối được đánh dấu không hợp lệ 0 4 0 4 Chương 4. Bộ nhớ - Phân cấp bộ nhớ 42 SET-HUST, 22/03/2011
  42. Bộ đệm kết hợp 4 đường  28 = 256 tập 4 đường (mỗi đường chứa 1 khối) 31 30 . . . 13 12 11 . . . 2 1 0 Byte offset Tag 22 8 Index Index V Tag Data V Tag Data V Tag Data V Tag Data 0 0 0 0 1 1 1 1 2 Way 0 2 Way 1 2 Way 2 2 Way 3 . . . . . . . . . . . . 253 253 253 253 254 254 254 254 255 255 255 255 32 4x1 select Hit Data Chương 4. Bộ nhớ - Phân cấp bộ nhớ 43 SET-HUST, 22/03/2011
  43. Bố trí bộ đệm kết hợp  Với kích thước bộ đệm cố định, tăng độ kết hợp theo hệ số 2 sẽ tăng số khối trong mỗi tập (tăng số đường) và giảm số tập – giảm kích thước trường index 1 bít và tăng kích thước trường tag 1 bit Tag Index Block offset Byte offset Chương 4. Bộ nhớ - Phân cấp bộ nhớ 44 SET-HUST, 22/03/2011
  44. Giá thành của bộ đệm kết hợp  Khi xuất hiện trượt, đường (khối) nào sẽ bị thay thế?  Least Recently Used (LRU): khối bị thay thế là khối không được sử dụng trong thời gian dài nhất - Cần phần cứng để theo dõi khối được sử dụng khi nào so với các khối khác trong cùng tập - Với kết hợp 2 đường, dùng một bit cho mỗi tập → đặt bit khi một khối được truy cập  Giá thành bộ đệm kết hợp N đường  N khối so sánh (trễ và diện tích)  Trễ khối MUX (chọn tập) trước khi dữ liệu sẵn sàng  Dữ liệu sẵn sàng sau khi chọn tập (và quyết định Hit/Miss). Trong bộ đệm trực tiếp, khối bộ đệm sẵn sàng trước khi quyết định Hit/Miss - Không thể giả sử là trúng để tiếp tục và sau đó khôi phục nếu là trượt Chương 4. Bộ nhớ - Phân cấp bộ nhớ 45 SET-HUST, 22/03/2011
  45. Lợi ích của bộ đệm kết hợp  Lựa trọn giữa bộ đệm kết hợp và bộ đệm trực tiếp phụ thuộc vào tổn thất trượt và giá thành triển khai 12 4KB 10 8KB 16KB 8 32KB 6 64KB 128KB Miss Rate Miss 4 256KB 512KB 2 Data from Hennessy & 0 Patterson, Computer 1-way 2-way 4-way 8-way Architecture, 2003 Associativity  Lợi ích lớn nhất là khi chuyển từ bộ đệm trực tiếp sang kết hợp 2 đường (tỉ lệ trượt giảm 20%+) Chương 4. Bộ nhớ - Phân cấp bộ nhớ 46 SET-HUST, 22/03/2011
  46. Giảm tỉ lệ trượt #2 2. Sử dụng bộ đệm đa mức  Mạch tích hợp ngày nay có thể chứa được bộ đệm mức 1 (L1 cache) lớn hơn hoặc bộ đệm mức 2 thống nhất (i.e., nó chứa cả chương trình và dữ liệu); và thậm chí cả bộ đệm L3 thống nhất  Ví dụ:  CPIideal = 2  Tổn thất trượt = 100 chu kỳ (truy cập bộ nhớ chính)  Tổn thất trượt truy cập UL2$ = 25 chu kỳ  36% load/stores  Tỉ lệ trượt: L1-I$ = 2%, L1-D$ = 4%, UL2$ = 0.5% (tỉ lệ trượt toàn cục) Chương 4. Bộ nhớ - Phân cấp bộ nhớ 47 SET-HUST, 22/03/2011
  47. Thiết kế bộ đệm đa mức  Bộ đệm L1 và L2 được thiết kế rất khác nhau  Bộ đệm cơ sở tập trung vào tối thiểu hóa thời gian truy cập khi trúng để hỗ trợ chu kỳ ngắn hơn - Nhỏ hơn và có khối kích thước nhỏ hơn  Bộ đệm mức 2 tập trung vào giảm tỉ lệ trượt để giảm tổn thất trượt do phải truy cập bộ nhớ chính - Lớn hơn với khối kích thước lớn hơn - Độ kết hợp cao hơn  Tổn thất trượt bộ đệm L1 được giảm rất nhiều khi có bộ đệm L2 – vì thế nó có thể nhỏ hơn (nhanh hơn) nhưng có tỉ lệ trượt cao hơn  Với bộ đệm L2, thời gian truy cập khi trúng không quan trọng bằng tỉ lệ trượt  Thời gian truy cập trúng L2$ xác định tổn thất trượt L1$ Chương 4. Bộ nhớ - Phân cấp bộ nhớ 48 SET-HUST, 22/03/2011
  48. Two Machines’ Cache Parameters Intel Nehalem AMD Barcelona L1 cache Split I$ and D$; 32KB for Split I$ and D$; 64KB for each organization & size each per core; 64B blocks per core; 64B blocks L1 associativity 4-way (I), 8-way (D) set 2-way set assoc.; LRU assoc.; ~LRU replacement replacement L1 write policy write-back, write-allocate write-back, write-allocate L2 cache Unified; 256MB (0.25MB) Unified; 512KB (0.5MB) per organization & size per core; 64B blocks core; 64B blocks L2 associativity 8-way set assoc.; ~LRU 16-way set assoc.; ~LRU L2 write policy write-back write-back L2 write policy write-back, write-allocate write-back, write-allocate L3 cache Unified; 8192KB (8MB) Unified; 2048KB (2MB) organization & size shared by cores; 64B blocks shared by cores; 64B blocks L3 associativity 16-way set assoc. 32-way set assoc.; evict block shared by fewest cores L3 write policy write-back, write-allocate write-back; write-allocate Chương 4. Bộ nhớ - Phân cấp bộ nhớ 49 SET-HUST, 22/03/2011
  49. Tổng kết: Cải thiện hiệu năng bộ đệm 0. Giảm thời gian truy cập trúng  Bộ đệm kích thước nhỏ  Bộ đệm ánh xạ trực tiếp  Khối kích thước nhỏ  Khi ghi - Không cấp phát và ghi – không truy cập trúng bộ đệm, chỉ ghi vào bộ đệm ghi - Cấp phát và ghi – để không cần 2 chu kỳ (1. kiểm tra trúng, 2. ghi), đường ống ghi sử dụng bộ đệm ghi trễ 1. Giảm tỉ lệ trượt  Bộ đệm kích thước lớn  Đặt khối linh hoạt hơn (tăng độ kết hợp)  Khối kích thước lớn (thông thường 16 đến 64 bytes)  Thêm bộ đệm “victim” – bộ đệm nhỏ lưu các khối vừa bị bỏ Chương 4. Bộ nhớ - Phân cấp bộ nhớ 50 SET-HUST, 22/03/2011
  50. Tổng kết: Cải thiện hiệu năng bộ đệm 2. Giảm tổn thất trượt  Khối kích thước nhỏ  Sử dụng bộ đệm ghi để lưu khối “dirty” (khối đã bị thay đổi-cần ghi vào bộ nhớ) không cần đợi kết thúc ghi trước khi đọc khối mới  Kiểm tra bộ đệm ghi (và/hoặc bộ đệm “victim”) trong trường hợp đọc trượt  Với các khối lớn, nạp các từ quan trọng trước  Sử dụng bộ đệm đa mức  Tăng tốc độ và băng thông bộ nhớ - Bus rộng hơn - Bộ nhớ xen kẽ, DDR SDRAMs Chương 4. Bộ nhớ - Phân cấp bộ nhớ 51 SET-HUST, 22/03/2011
  51. Dịch chuyển dữ liệu giữa các mức bộ nhớ  Thanh ghi  Bộ nhớ  Trình biên dịch (người lập trình?)  Bộ đệm  bộ nhớ chính  Phần cứng điều khiển bộ đệm  Bộ nhớ chính  Đĩa  Hệ điều hành (bộ nhớ ảo)  Ánh xạ địa chỉ ảo và địa chỉ vật lý nhờ phần cứng (Translation Lookaside Buffer)  Người lập trình (các tệp) Chương 4. Bộ nhớ - Phân cấp bộ nhớ 52 SET-HUST, 22/03/2011
  52. Review: The Memory Hierarchy  Tập dụng nguyên tắc “cục bô” để cung cấp cho người dùng kích thước bộ nhớ lớn như công nghệ bộ nhớ rẻ rất nhưng ở tốc độ cao như công nghệ bộ nhớ nhanh nhất Processor 4-8 bytes (word) Tính bao hàm – Nội dung Tăng L1$ trong L1$ là 1 khoảng 8-32 bytes (block) tập con của nội cách từ bộ L2$ dung trong xử lý theo L2$; là tập con thời gian 1 to 4 blocks nội dung trong truy cập Main Memory MM; là tập con 1,024+ bytes (disk sector = pagenội dung) trong SM Secondary Memory Kích thước (tương đối) của bộ nhớ ở mỗi mức Chương 4. Bộ nhớ - Phân cấp bộ nhớ 53 SET-HUST, 22/03/2011
  53. Bộ nhớ ảo  Sử dụng bộ nhớ chính như “bộ đệm” cho bộ nhớ thứ cấp  Cho phép chia sẻ an toàn và hiệu quả bộ nhớ giữa các chương trình  Cho phép chạy chương trình lớn hơn kích thước bộ nhớ vật lý  Đơn giản hóa việc nạp chương trình để chạy (i.e., mã chương trình có thể được đưa vào bất kỳ chỗ nào trong bộ nhớ chính)  Tại sao có hiệu quả? – Tính cục bộ  1 chương trình thường truy cập vào một không gian địa chỉ nhỏ tại trong 1 khoảng thời gian  Mỗi chương trình sử dụng 1 không gian địa chỉ riêng biệt – không gian địa chỉ “ảo”.  Trong thời gian chạy, địa chỉ ảo được dịch thành địa chỉ vật lý (địa chỉ bộ nhớ chính)  Không gian ảo địa chỉ của chương trình được chia thành các trang (kích thước cố định) hoặc các đoạn (kích thước thay đổi) Chương 4. Bộ nhớ - Phân cấp bộ nhớ 54 SET-HUST, 22/03/2011
  54. Dịch địa chỉ  Một địa chỉ ảo được dịch thành 1 địa chỉ vật lý bằng cả phần cứng và phần mềm Virtual Address (VA) 31 30 . . . 12 11 . . . 0 Virtual page number Page offset Translation Physical page number Page offset 29 . . . 12 11 0 Physical Address (PA)  Mỗi yêu cầu bộ nhớ, đầu tiên cần yêu cầu 1 sự dịch bộ nhớ từ không gian ảo thành không gian vật lý  Trượt bộ nhớ ảo (trang không có trong bộ nhớ vật lý) gọi là lỗi trang (page fault) Chương 4. Bộ nhớ - Phân cấp bộ nhớ 55 SET-HUST, 22/03/2011
  55. Nguyên lý dịch địa chỉ Virtual page # Offset Physical page # Offset Main memory Physical page V base addr 1 1 1 1 1 Page table register table Page 1 0 1 0 1 0 Page Table (in main memory) Disk storage Chương 4. Bộ nhớ - Phân cấp bộ nhớ 56 SET-HUST, 22/03/2011
  56. Địa chỉ ảo với bộ đệm  Cần thêm 1 lần truy cập bộ nhớ để dịch địa chỉ ảo thành địa chỉ vật lý VA PA miss Trans- Main CPU Cache lation Memory hit data  Truy cập bộ nhớ (bộ đệm) rất tốn kém (mỗi lần truy cập thực chất là hai lần truy cập)  Sử dụng bộ đệm nhắc vở (Translation Lookaside Buffer TLB) – một bộ đệm nhỏ lưu trữ các chuyển đổi địa chỉ vừa được sử dụng gần đây để trách việc tìm trong bảng trang Chương 4. Bộ nhớ - Phân cấp bộ nhớ 57 SET-HUST, 22/03/2011
  57. Tăng tốc dịch địa chỉ Virtual page # Physical page V Tag base addr 1 1 1 0 1 TLB Physical page V base addr 1 1 1 1 1 Page table register table Page 1 0 1 Main memory 0 1 0 Page Table (in physical memory) Disk storage Chương 4. Bộ nhớ - Phân cấp bộ nhớ 58 SET-HUST, 22/03/2011
  58. TLB trong phân cấp bộ nhớ ¼ t hit ¾ t VA PA miss TLB Main CPU Cache Lookup Memory miss hit Trans- lation data Chương 4. Bộ nhớ - Phân cấp bộ nhớ 59 SET-HUST, 22/03/2011
  59. Bốn câu hỏi trong phân cấp bộ đệm  Q1: Một mục dữ liệu được đặt vào đâu trong mức cao hơn? (Entry placement)  Q2: Một mục dữ liệu được tìm như thế nào trong mức cao hơn? (Entry identification)  Q3: Thay thế mục nào khi có trượt? (Entry replacement)  Q4: Làm gì khi ghi? (Write strategy) Chương 4. Bộ nhớ - Phân cấp bộ nhớ 60 SET-HUST, 22/03/2011
  60. Q1&Q2: Vị trí đặt/tìm một mục dữ liệu? Số tập Số mục / 1 tập Ánh xạ trực tiếp Tổng số mục 1 Kết hợp đa (Tổng số mục)/ Độ kết hợp Độ kết hợp (thường đường từ 2 đến 16) Kết hợp toàn 1 Tổng số mục phần Phương pháp tìm Số bộ so sánh Ánh xạ trực tiếp Đánh chỉ số (index) 1 Kết hợp đa Đánh chỉ số tập; So sánh Độ kết hợp đường thẻ của tập Kết hợp toàn So sánh thẻ của tất cả các Tổng số mục phần mục. Hoặc bảng (trang) tra cứu 0 riêng Chương 4. Bộ nhớ - Phân cấp bộ nhớ 61 SET-HUST, 22/03/2011
  61. Q3: Thay thế mục nào khi có trượt  Ánh xạ trực tiếp – duy nhất 1 lựa chọn – Luôn thay thế  Kết hợp tập hoặc kết hợp toàn phần  Ngẫu nhiên  LRU (Least Recently Used): thay thế khối ít được sử dụng nhất trong thời gian dài nhất  Với bộ đệm kết hợp 2 đường, phương pháp thay thế ngẫu nhiên có tỉ lệ trượt cao hơn 1,1 lần so với phương pháp LRU  LRU có chi phí (phần cứng) cao khi áp dụng cho bộ đệm có độ kết hợp cao (> 4-đường) vì theo dõi thông tin sử dụng rất tốn kém Chương 4. Bộ nhớ - Phân cấp bộ nhớ 62 SET-HUST, 22/03/2011
  62. Q4: Làm gì khi ghi?  Write-through: Ghi xuyên – Thông tin được ghi vào mục dữ liệu cả ở mức bộ nhớ hiện tại và mức bộ nhớ kế tiếp trong phân cấp bộ nhớ.  Luôn được kết hợp cùng bộ đệm ghi để loại bỏ thời gian chờ ghi vào bộ nhớ ở mức kế tiếp (cho đến khi bộ đệm ghi chưa đầy)  Write-back: Ghi sau – Thông tin chỉ được ghi vào mục dữ liệu ở mức bộ nhớ hiện tại. Mục bị thay đổi được ghi vào mức bộ nhớ kế tiếp khi nó bị thay thế.  Cần bit “bẩn” để theo dõi 1 mục là bị thay đổi hay không  Hệ thống bộ nhớ ảo luôn dùng phương pháp ghi sau với các trang được đánh dấu “bẩn”  Ưu nhược điểm?  Ghi xuyên: trượt khi đọc không gây ra việc ghi dữ liệu: đơn giản, rẻ và dễ triển khai  Ghi sau: ghi được cùng tốc độ của bộ đệm, ghi lặp lại cần 1 lần ghi vào bộ nhớ mức thấp Chương 4. Bộ nhớ - Phân cấp bộ nhớ 63 SET-HUST, 22/03/2011
  63. Tổng kết  Nguyên lý cục bộ:  Chương trình có thể truy cập vào một phần khá nhỏ không gian địa chỉ tại 1 thời điểm. - Cục bộ thời gian - Temporal Locality - Cục bộ không gian - Spatial Locality  Hiểu bộ đệm, TLBs, bộ nhớ ảo bằng cách nghiên cứu cách chúng xử lý 4 câu hỏi: 1. Mục dữ liệu được đặt ở đâu? 2. Mục dữ liệu được tìm như thế nào? 3. Thay thế mục nào khi trượt? 4. Thực hiện ghi như thế nào?  Bảng trang ánh xạ địa chỉ ảo vào địa chỉ vật lý  TLBs dùng để thực hiện việc dịch nhanh Chương 4. Bộ nhớ - Phân cấp bộ nhớ 64 SET-HUST, 22/03/2011