BO THONG TIN TRUYEN THONG HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THONG KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN 2 BAI BAO CAO Ban dich thuat Chuong 5 LON VA NHANH: TAN DUNG HE THONG BO NHO (Large and Fast: Exploiting Memory Hierarchy) Phan: e Góc nhìn Lịch sử và Đọc thêm (5 18) se Bài tập (5 19) Sinh viên thực hiện Họ tên: Phạm Văn Phú Thành phố Hồ Chí Minh, 03/2024 MSSV: N22DCCN160 Muc luc Trang 5.18 Quan diém Lich str va Doc thém „1 Lưu trữ Đĩa 8 Một Lịch sử Rất Ngắn về Bộ Nhớ Flash .12 Cơ chế Bảo VỆ. 0n Hà Hà 1 12112111 11111111111111 1111111111111 11Ex11T11111e1111111111111111 11 te, 13 Lịch sử Ngắn gọn về Hệ điều hành Hiện đại 13 250105 .c c sec s c s sc s es sec s s sec s esc se s es se s ecstaue s ues es 19 Thành phố Hồ Chí Minh, 03/2024 5 18 Quan diém Lich su va Doc thém Phan lich sử này cung cấp một cái nhìn tổng quan về các công nghệ bộ nhớ, từ đường trì hoãn thủy ngân đến DRAM, sự phát minh của hệ thống bộ nhớ và cơ chế bảo vệ, và kết thúc với một lược sử ngắn về các hệ điều hành, bao gồm CTSS, MULTICS, UNIX, BSD UNIX, MS- DOS, Windows và Linux. Sự phát triên của hầu hết các khái niệm trong chương này đã được thúc đây bởi những tiền bộ đột phá trong công nghệ chúng ta sử dụng cho bộ nhớ. Trước khi chúng ta thảo luận về việc hệ thống bộ nhớ đã phát trién ra sao, hãy cùng điểm qua một chuyến tham quan ngắn về sự phát triên của công nghệ bộ nhớ.
ENIAC chỉ có một sé lượng nhỏ các thanh ghi (khoảng 20) đề lưu trữ và triển khai chúng với cùng một công nghệ Ô ống chân không cơ bản mà nó sử dụng đê xây dựng mạch logic. Tuy nhiên, công nghệ ống chân không quá đất đỏ đề sử dụng đề xây dựng một dung lượng bộ nhớ lon hon. Eckert đã đưa ra ý tưởng phát triển một công nghệ mới dựa trên đường trì hoãn thủy ngân. Trong công nghệ nảy, tín hiệu điện được chuyên đối thành rung động được gửi xuống một ống thủy ngân, đến đầu kia, nơi chúng được đọc ra và tuần hoàn.
Một đường trì hoãn thủy ngân có thê lưu trữ khoảng 0. Mặc dù các bịt này được truy cập theo chiều tuần tự, đường trì hoãn thủy ngân rẻ hơn khoảng trăm lần so với bộ nhớ ông chân không. Các đường trì hoãn thủy ngân đầu tiên được biết đến đã được phát triển tại Cambridge cho EDSAC.1 cho thấy các đường trì hoãn thủy ngân của EDSAC, có 32 bê và 512 từ 36 bịt. Mặc dù dây trễ thủy ngân đã đem lại sự tiến bộ đáng kể, nhưng chúng vẫn rất không đáng tin cậy và khá đắt đỏ.
Đột phá đến với việc phát minh bộ nhớ lõi bởi J. Forrester tại MIT trong khuôn khổ dự án Whirlwind vào đầu những năm 1950 (xem Hình e5. Bộ nhớ lõi sử dụng lõi từ sắt, có thê từ tính hóa, và sau khi từ tính hóa, nó hoạt động như một bộ nhớ (giống như băng ghi âm từ tính lưu trữ thông tin). Một tập hợp dây điện chạy qua trung tâm của lõi, có kích thước từ 0.0 milimét, cho phép đọc giá trị được lưu trữ trên bất kỳ lõi từ sắt nao.
Whirlwind cuối cùng đã bao gồm một bộ nhớ lõi với 2048 từ 16-bit, trong duong 32Kbit. Bd nhớ lõi là một bước tiến lớn: nó rẻ hơn, nhanh hơn, dang tin cậy hơn và có mật độ cao hơn. Bộ nhớ lõi tốt hơn đáng kê so với các phương án khác, và chỉ sau vải năm kề từ khi được phát minh, nó đã trở thành công nghệ bộ nhớ chiếm ưu thế và duy trì vị thế đó trong gần 20 năm. “một sự phái triển duy nhất đã đặt máy tính lên chân của chúng, đó là sự phát mình của một hình thức bộ nhỏ đáng tin cậy, cụ thể là bộ nhó core.
Chỉ phí của nó là hợp lý, nó đáng tin cậy và, bởi vì nó đáng tin cậy, nó có thể được tạo ra lớn theo thời gian. Maurice IWilkes, Hồi ký của một Người tiên phong Máy tính, 1985.1 Các đường trễ thủy ngân trong EDSAC. Công nghệ này đã làm cho việc xây dựng máy tính lưu trữ chương trình đầu tiên trở thành hiện thực. Kỹ sư trẻ trong bức ảnh này không ai khác chính là Maurice Wilkes, kiến trúc sư trưởng cua EDSAC.” Page 2| 42 474 Chapter 5 Large and Fast: Exploiting Memory Hierarchy “Hình e5.2 Một mặt phẳng bộ nhớ core từ Whirlwind chứa 256 cores được sắp xếp trong một mảng 16 x 16.
Bộ nhớ core được phát minh cho Whirlwind, được sử dụng cho các vấn đề phòng không, và hiện nay đang được trưng bày tại Smithsonian. (Ngẫu nhiên, Ken Olsen, người sáng lập Digital và là chủ tịch của nó trong 20 năm, đã xây dựng máy tính kiểm tra những bộ nhớ core này; đó là máy tính đầu tiên của anh ấy.)” Công nghệ thay thế cho bộ nhớ core chính là công nghệ mà chúng ta đang sử dụng cho cả logic và bộ nhớ: mạch tích hợp. Trong khi các thanh ghi được xây dựng từ bộ nhớ transistor hóa vào những năm 1960, và máy tính IBM sử dụng bộ nhớ transistor hóa cho cửa hàng microcode và bộ nhớ cache vào năm 1970, việc xây dựng bộ nhớ chính từ transistor vẫn còn quá đắt đỏ cho đến khi phát triển mạch tích hợp. Với mạch tích hợp, việc xây dựng DRAM (bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên động - xem Phụ lục A để biết mô tả trở nên khả thi.
Các DRAM đầu tiên được xây dựng tại Intel vào năm 1970, và các máy tính sử dụng bộ nhớ DRAM (như một tùy chọn tốc độ cao Page 3| 42 474 Chapter 5 Large and Fast: Exploiting Memory Hierarchy so với core) xuất hiện ngay sau đó; chúng sử dụng DRAM 1 Kbit. Thực tế, truyền thông máy tính cho rằng Intel đã phát triển vi xử lý một phần để giúp.3 Một bo mạch DRAM sớm. Bo mạch này sử dụng các chip 18Kbit.3 cho thấy một bo mạch DRAM sớm. Vào cuối những năm 1970, bộ nhớ core đã trở thành một hiện vật lịch sử.
Giống nhưữ công nghệ bộ nhớ core đã cho phép một sự mở rộng khổng lồ về kích thước bộ nhớ, công nghệ DRAM đã cho phép một sự mở rộng tương đương. Vào những năm 1990, nhiều máy tính cá nhân có nhiều bộ nhớ như những máy tính lớn nhất sử dụng bộ nhớ core từng có. Ngày nay, DRAM thường được đóng gói với nhiều chip trên một bo mạch nhỏ gọi là DIMM (module bộ nhớ nội suy kép). SIMM (module bộ nhớ nội suy đơn) được hiển thị trong Hình e5.4 chứa tổng cộng 1 MB và được bán với giá khoảng 5 đô la vào năm 1997.
Tính đến năm 2004, DIMM có sẵn với dụng lượng lên đến 1024 MB và được bán với giá khoảng 100 đô la. Trong khi DRAM sẽ tiếp tục là công nghệ bộ nhớ chủ đạo trong một thời Page 4| 42 474 Chapter 5 Large and Fast: Exploiting Memory Hierarchy gian tới, các đổi mới trong việc đóng gói DRAM để cung cấp cả băng thông cao hơn và mật độ lớn hơn đang tiếp tục.4 Một SIMM 1MB, được xây dựng vào năm 19866, sử dụng các chip 1Mbit. SIMM này được bán với giá khoảng 5 đô la/MB vào năm 1997. Tính đến năm 2006, hầu hết bộ nhớ chính được đóng gói trong DIMM tương tự như này, mặc dù sử dụng các chip bộ nhớ mật độ cao hơn nhiều (1 Gbit).
Sự Phát Triển của Hệ thống Bộ Nhớ Mặc dù những người tiên phong của ngành công nghệ thông tin đã nhìn thấy nhu cầu về một hệ thống bộ nhớ và đã đặt ra thuật ngữ, việc quản lý tự động hai cấp độ được đề xuất lần đầu tiên bởi Kilburn và các đồng nghiệp của ông và được thực hiện tại Đại học Manchester với máy tính Atlas, máy tính này đã thực hiện bộ nhớ ảo. Đây là năm trước khi IBM 360 được công bố. IBM đã lên kế hoạch bao gồm bộ nhớ ảo với thế hệ tiếp theo (Hệ thống/370), nhưng hệ điều hành OS/360 không đáp ứng được thách thức vào năm 1970. Bộ nhớ ảo đã được công bố cho gia đình 370 vào năm 1972, và đó là máy tính mà thuật ngữ bộ đệm dịch chuyển-lookaside được đặt ra.
Tất cả máy tính nhúng ngoại trừ một số đều sử dụng bộ nhớ ảo ngày nay. Các vấn đề về không gian địa chỉ không đủ đã làm phiền các nhà thiết kế nhiều lần. Các kiến trúc sư của PDP-11 đã xác định không gian địa chỉ nhỏ là lỗi kiến trúc duy nhất mà từ đó khó có thể phục hồi. Khi PDP-11 được thiết kế, mật độ bộ nhớ core đang tăng ở một tốc độ rất chậm, và sự cạnh tranh từ 100 công ty minicomputer khác có nghĩa là DEC có thể không có một sản phẩm cạnh tranh về chi phí nếu mỗi địa chỉ phải đi qua đường dẫn dữ liệu 16 bit hai lần - do đó, quyết định chỉ thêm 4 bit địa chỉ hơn so với người tiền nhiệm của PDP-11, từ 16 từ 12.
Các kiến trúc sư của IBM 360 đã nhận thức được tầm quan trọng của kích thước địa chỉ và đã lên kế hoạch Page 5| 42 474 Chapter 5 Large and Fast: Exploiting Memory Hierarchy để kiến trúc mở rộng đến 32 bit địa chỉ. Chỉ 24 bit duoc str dung trong IBM 360, tuy nhiên, vì các mô hình 360 cấp thấp sẽ chậm hơn nữa với các địa chỉ lớn hơn. Thật không may, nỗ lực mở rộng đã bị phức tạp hóa nhiều bởi các lập trình viên đã lưu trữ thông tin bổ sung trong 8 bit trên cùng. Page 6| 42 474 Chapter 5 Large and Fast: Exploiting Memory Hierarchy Các bit địa chỉ 'không sử dụng”.
Địa chỉ rộng hơn kéo dài cho đến năm 2000, khi IBM mở rộng kiến trúc lên 64 bit trong dòng z. Việc hết không gian địa chỉ thường là nguyên nhân gây ra “cái chết' cho một kiến trúc, trong khi các kiến trúc khác đã quản lý để chuyển sang một không gian địa chỉ lớn hơn. Ví dụ, PDP-11, một máy tính 16 bit, đã được thay thế bằng VAX 32 bit. 80386 mở rộng kiến trúc 80286 từ một không gian địa chỉ 24 bit phân đoạn sang một không gian địa chỉ 32 bit phẳng vào năm 1985.
Trong những năm 1990, một số bộ hướng dẫn RISC đã chuyển từ địa chỉ 32 bit sang địa chỉ 64 bit bằng cách cung cấp một phần mở rộng tương thích của bộ hướng dẫn của họ. MIPS là người đầu tiên làm như vậy. Một thập kỷ sau, Intel và HP công bố IA-64 phần lớn để cung cấp một người kế nhiệm địa chỉ 64 bit cho kiến trúc Intel IA-32 32 bit và HP Precision.