第三章存儲(chǔ)系統(tǒng)

1、第三章 存儲(chǔ)系統(tǒng),,存儲(chǔ)器概述,主存儲(chǔ)器的基本構(gòu)造和操作,主存儲(chǔ)器組織,高速緩沖存儲(chǔ)器Cache 高速存儲(chǔ)器,半導(dǎo)體存儲(chǔ)器芯片,虛擬存儲(chǔ)器,原因：主存工作速度總落后于CPU的需求,主存容量總是落后于軟件的需求.提高存儲(chǔ)器性能的方法： 提高主存工作速度—(1)提高主存讀寫(xiě)速度:從最早使用的DRAM到后來(lái)的FPM DRAM、EDO DRAM、SDRAM 、DDR SDRAM 和若RDRAM等;(2)在DRAM芯片中采用

2、高速存取方式,如相聯(lián)存儲(chǔ)器、雙端口存儲(chǔ)器等;(3)采用并行主存技術(shù). 改善系統(tǒng)結(jié)構(gòu)—采用多級(jí)存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu),3.6 高速存儲(chǔ)器,3.6.1 相聯(lián)存儲(chǔ)器(CAM——Content Access Memory),一、相聯(lián)(聯(lián)想)存儲(chǔ)器的實(shí)質(zhì)(工作原理)與常規(guī)存儲(chǔ)器按地址訪問(wèn)不同,CAM是既可按地址尋址,又可按內(nèi)容(通常是某些字段)尋址.CAM的每個(gè)字由若干字段組成,待檢索的某字段作為關(guān)鍵字,用它與存儲(chǔ)體中所有單元進(jìn)行比較,

3、找出關(guān)鍵字相同的所有數(shù)據(jù)字.用于信息檢索、Cache和虛擬存儲(chǔ)器.二、相聯(lián)存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)與功能 結(jié)構(gòu)框圖如下：,檢索寄存器(n位),屏蔽寄存器(n位),數(shù)據(jù)寄存器(n位),存儲(chǔ)體(包括比較電路)(m個(gè)單元，每單元n位),譯碼電路,,地址寄存器,,,,,,,,,,,,,,,,,,,1,2,m,┇,匹配寄存器,┇,┇,┇,??? ???,??? ???,??? ???,圖3.32 相聯(lián)存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)框圖

4、,①用來(lái)存放待檢索內(nèi)容,②屏蔽關(guān)鍵字段以外的值,即進(jìn)行檢索時(shí),將MR中要比較的位置置為1,不需要比較的位置置為0.,③存儲(chǔ)體中各單元相應(yīng)字段同時(shí)與關(guān)鍵字比較,相同者,匹配寄存器相應(yīng)位置為1.若同時(shí)有i個(gè)字滿足要求,則相應(yīng)有i位為1,④譯碼電路找到對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)單元.,也具備按地址訪問(wèn)的功能。,CR,MR,CAM在Cache中的具體應(yīng)用,⑤數(shù)據(jù)寄存器存放讀出或?qū)懭氲臄?shù)據(jù). ⑥字選擇寄存器用來(lái)確定哪些字參與檢

5、索.,,,,,┇,字選擇寄存器,,,,,,559,,,,,,,0…0,0…0,0…0,0…0,11…1,第一次檢索寄存器內(nèi)容,屏蔽寄存器內(nèi)容,,,,,,1,趙XX,男,17,582,,,,,,2,錢(qián)XX,男,18,611,,,,,,3,孫XX,女,17,584,,,,,,4,李XX,男,19,604,,,,,,…,,,,,,N,丁XX,女,18,520,,,,,,,,,,,,,序號(hào),姓名,性別,年齡,分?jǐn)?shù),圖3.33 相聯(lián)存儲(chǔ)器檢索舉

6、例,,例如:某高校學(xué)生入學(xué)總成績(jī)已經(jīng)存入相聯(lián)存儲(chǔ)器如圖3.33,要求列出“總分”在560-600分范圍內(nèi)學(xué)生名單.可用二次查找完成:第一次找出“總分”大于559的考生,第二次再找出“總分”小于601的考生.,,匹配寄存器,字選擇寄存器,,,,,,559,,,,,,,0…0,0…0,0…0,0…0,11…1,第一次檢索寄存器內(nèi)容,屏蔽寄存器內(nèi)容,,,,,,1,趙XX,男,17,582,,,,,,2,錢(qián)XX,男,18,611,,,,,,3,

7、孫XX,女,17,584,,,,,,4,李XX,男,19,604,,,,,,…,,,,,,N,丁XX,女,18,520,,,,,,,,,,,,,序號(hào),姓名,性別,年齡,分?jǐn)?shù),圖3.33 相聯(lián)存儲(chǔ)器檢索舉例,,分別將559和601作為關(guān)鍵字段內(nèi)容置于比較寄存器中，屏蔽寄存器只在“總分”字段上設(shè)置11…1,而在其他字段設(shè)置00…0，表示不必比較，第一次查找結(jié)果送入匹配寄存器，為了進(jìn)行第二次查找，先將匹配寄存器內(nèi)容送入字選擇寄存器，并將比較

8、寄存器中的559更換為601，然后將第二次查找結(jié)果送入匹配寄存器，匹配寄存器和字選擇寄存器內(nèi)容同時(shí)為1位所對(duì)應(yīng)的考生，即為查找結(jié)果。,,匹配寄存器,字選擇寄存器,1,1,1,1,0,1,0,1,0,1,檢索寄存器(n位),屏蔽寄存器(n位),數(shù)據(jù)寄存器(n位),存儲(chǔ)體(包括比較電路)(m個(gè)單元，每單元n位),譯碼電路,,地址寄存器,,,,,,,,,,,,,,,,,,,1,2,m,┇,匹配寄存器,┇,┇,┇,???

9、???,??? ???,??? ???,圖3.32 相聯(lián)存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)框圖,CR,MR,從按地址訪問(wèn)的存儲(chǔ)器中檢索某一個(gè)單元，平均約W/2次操作(W為存儲(chǔ)單元數(shù))，而在相聯(lián)存儲(chǔ)器中僅需要進(jìn)行一次檢索操作，故大大提高了處理速度。,3.6.2 雙端口存儲(chǔ)器,端口：指讀/寫(xiě)控制電路。常規(guī)存儲(chǔ)器為單端口存儲(chǔ)器，即每次只能接收一個(gè)地址，訪問(wèn)一個(gè)存儲(chǔ)單元。在高速系統(tǒng)中，主存是信息交換的中心，CPU、外設(shè)需要頻繁訪問(wèn)主存，而單端口存儲(chǔ)器每次只能

10、接受一個(gè)訪存者，影響工作速度。雙端口存儲(chǔ)器：具有兩個(gè)彼此獨(dú)立的讀/寫(xiě)口，每個(gè)讀/寫(xiě)口有獨(dú)立的地址寄存器和譯碼電路，可以并行地獨(dú)立工作。,地址寄存器,地址寄存器,譯碼器,譯碼器,存儲(chǔ)體,,,,,,,,,,,,,,,,,,應(yīng)用實(shí)例：FPM DRAM+雙口技術(shù)用于視頻卡（VRAM）,,,地址,地址,MDR,MDR,,,,,數(shù)據(jù),數(shù)據(jù),讀寫(xiě)電路,讀寫(xiě)電路,,,,,WE,,WE,,MAR,MAR,工作方式：兩個(gè)讀

11、/寫(xiě)口可以按各自接收的地址，同時(shí)并行訪問(wèn)主存。與兩個(gè)獨(dú)立存儲(chǔ)器不同的是，兩套讀/寫(xiě)口的訪存空間相同，可以訪問(wèn)同一區(qū)間、同一存儲(chǔ)單元。在發(fā)生訪存沖突時(shí)由存儲(chǔ)器仲裁邏輯解決。,圖3.34 雙端口存儲(chǔ)器示意圖,3.6.3 多模塊交叉(多體交叉)存儲(chǔ)器,,一、并行主存系統(tǒng)用W/w片字長(zhǎng)w的芯片可以擴(kuò)展成W位字長(zhǎng)的存儲(chǔ)器，一般把這種擴(kuò)展叫存儲(chǔ)芯片的并聯(lián)組織(位擴(kuò)展)。各個(gè)芯片同時(shí)工作，在一個(gè)Tm內(nèi)讀出一個(gè)W位的字，獲得Bm=W/Tm的頻寬

12、。同理可進(jìn)一步把n個(gè)W位字長(zhǎng)的同容量存儲(chǔ)器并成一個(gè)更大的存儲(chǔ)器以獲得Bm=n X W/Tm的頻寬。這樣組織的主存系統(tǒng)叫并行主存系統(tǒng)。作用：加快從主存讀出信息到CPU的速度，以解決主存和CPU之間速度不匹配的問(wèn)題。二、并行主存系統(tǒng)的兩種組成方式——單體多字方式與多體并行方式多個(gè)存儲(chǔ)體共用一套地址寄存器和控制邏輯還是各個(gè)模塊有各自獨(dú)立的控制部件？即各塊是否可以獨(dú)立工作？單體多字和多體并行即因此而有別。,1、單體多字并行主存系統(tǒng)

13、 如下圖所示,多個(gè)并行工作的存儲(chǔ)器共用一套地址寄存器,按同一地址碼并行地訪問(wèn)各自的對(duì)應(yīng)單元,假定送入的地址碼為A,則n個(gè)存儲(chǔ)器同時(shí)訪問(wèn)各自的A號(hào)單元.可將這n個(gè)存儲(chǔ)器視作一個(gè)大的主存儲(chǔ)器,每個(gè)編址對(duì)應(yīng)于n字×w位,故稱為單體多字方式,適用于向量運(yùn)算. 即一個(gè)向量型的操作數(shù)

14、 是 n個(gè)標(biāo)量型操作數(shù)的 集合,可按同一地址分 別存放于n個(gè)并行主存

15、 中.,地址寄存器,,,地址,,M0,M1,….,M n-1,,,,,,,,,,,,W位,W位,….,W位,,n×w,圖3.35 單體多字并行主存系統(tǒng),地址譯碼器,,2、多體并行主存系統(tǒng) (1)多體交叉存儲(chǔ)器組成: n個(gè)容量相同的存儲(chǔ)器(或稱為n個(gè)存儲(chǔ)體),它們具有自己的地址寄存器、數(shù)據(jù)線、讀寫(xiě)時(shí)序,形成可以同時(shí)工作又獨(dú)立編址且容量

16、相同的n個(gè)分存儲(chǔ)體,故稱為多體系統(tǒng).,,總 線 控 制,CPU,,,,,,,,,,地址寄存器,地址寄存器,地址寄存器,地址寄存器,存 控 部 件,,,,,,,,,,,,,,,,…,,,,,,,…,…,…,0,4,M0,1,5,2,6,3,7,M1,M2,M3,數(shù)據(jù),存控部件：接收系統(tǒng)中各部件或設(shè)備的訪存請(qǐng)求，按預(yù)定的優(yōu)先順序進(jìn)行排隊(duì)，響應(yīng)其訪存請(qǐng)求；分時(shí)接收各請(qǐng)求源發(fā)來(lái)的訪存地址，轉(zhuǎn)送至相應(yīng)存儲(chǔ)體等等。,(2)多

17、體交叉編址 分為高位交叉(順序方式)和低位交叉編址(交叉方式)。 高位交叉編址:程序按體內(nèi)地址連續(xù)存放,一個(gè)存儲(chǔ)體存滿后再存入下一個(gè)存儲(chǔ)體,存儲(chǔ)器地址寄存器的高位表示體號(hào),低位表示體內(nèi)地址.,MDR,M0,,,地址譯碼,MAR,MDR,M1,,,地址譯碼,MAR,MDR,Mn-1,,,地址譯碼,MAR,,,,,,,,,,,,,體號(hào),體內(nèi)地址,,,,,,,,,,,,圖3.36(a) 高位交叉編址的多體存儲(chǔ)器,……

18、,,,,,,,,,00000,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,M0,M1,M2,M3,,,4 3 2 1 0,00001,00010,00011,00100,00101,00110,00111,01000,01001,01010,01011,01100,01101,01110,01111,10000,10001,10010,10011,10100,10101,10110,1

19、0111,11000,11001,11010,11011,11100,11101,11110,11111,模塊(分體)號(hào),塊內(nèi)字地址,數(shù)據(jù)寄存器MDR（16位）,,DB(16位),,,,,,圖3.36(b)高位交叉編址的多體存儲(chǔ)器(例),16位,16位,16位,16位,高位交叉即模塊地址在高位,低位交叉編址:同一存儲(chǔ)體中的地址是不連續(xù)的,程序連續(xù)存放在相鄰體中.存儲(chǔ)器地址寄存器的低位部分選擇不同的存儲(chǔ)體,而高位部分則指

20、向存儲(chǔ)體內(nèi)的存儲(chǔ)字.,MDR,M0,,,地址譯碼,MAR,MDR,M1,,,地址譯碼,MAR,MDR,Mn-1,,,地址譯碼,MAR,,,,,,,,,,,,,體號(hào),體內(nèi)地址,,,,,,,,,,,圖3.37(a) 低位交叉編址的多體存儲(chǔ)器,,……,,,,,,,,,00000,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,數(shù)據(jù)總線DB（16位）,,,4 3 2 1 0,00001,0001

21、0,00011,00100,00101,00110,00111,01000,01001,01010,01011,01100,01101,01110,01111,10000,10001,10010,10011,10100,10101,10110,10111,11000,11001,11010,11011,11100,11101,11110,11111,模塊(分體)號(hào),塊內(nèi)字地址,,,譯碼器,尋找模塊,圖3.37(b)低位交叉編

22、址的多體存儲(chǔ)器(例),MDR0,MDR3,MDR2,MDR1,,,,,,,,,MAR0,MAR3,MAR2,MAR1,,16位,16位,16位,16位,高位交叉編址特點(diǎn):地址高位選擇模塊,地址低位選擇字;某模塊進(jìn)行存取時(shí),其它模塊不工作;某模塊出現(xiàn)故障時(shí),不影響其它模塊;擴(kuò)容方便;各模塊串行工作,存儲(chǔ)器帶寬受限.低位交叉編址特點(diǎn):地址低位選擇模塊,地址高位選擇字;連續(xù)地址分布在不同模塊中,模塊可同時(shí)并行工作,提高了帶寬;

23、但一個(gè)模塊出錯(cuò),則程序出錯(cuò).,例:一個(gè)四體并行交叉存儲(chǔ)器，每個(gè)模塊的容量是16K×32位，存取周期為200ns，在下述說(shuō)法中( )是正確的。在200ns內(nèi)，該存儲(chǔ)器能向CPU提供256位二進(jìn)制信息B. 在200ns內(nèi)，該存儲(chǔ)器能向CPU提供128位二進(jìn)制信息C. 在50ns內(nèi)，每個(gè)存儲(chǔ)模塊能向CPU提供32位二進(jìn)制信息D. 在50ns內(nèi)，該存儲(chǔ)器能向CPU提供128位二進(jìn)制信息,(3)多體交叉存儲(chǔ)體分時(shí)工作原

24、理無(wú)論多體存儲(chǔ)器中有幾個(gè)分體,CPU與主存之間數(shù)據(jù)通路仍是一個(gè)W位.n個(gè)W位如何在一個(gè)存儲(chǔ)周期Tm中讀出? 分時(shí)啟動(dòng)多個(gè)分體,使得每個(gè)Tm周期內(nèi)得到多個(gè)單體字寬的數(shù)據(jù).設(shè)主存有n個(gè)分體(模塊),各自的存取周期都是Tm；則第一個(gè)分體啟動(dòng)后,每隔1/n個(gè)Tm再啟動(dòng)下一個(gè)分體.,例:設(shè)有4體交叉的存儲(chǔ)器,分時(shí)即每隔1/4Tm啟動(dòng)一個(gè)分體.要點(diǎn):存儲(chǔ)器讀出雖用一個(gè)Tm,一旦讀出后在主存——CPU的總線上傳遞的速度以及處理的速度要比讀內(nèi)存

25、快得多.,,M3M2M1M0 1/4 2/4 3/4 1 2 t(Tm),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,圖3.38 模4交叉存取分時(shí)工作示意圖,,,,,,,,,,單體訪存周期,,單體訪存周期,,,,,,,,,,,,,,,,,,T

26、,,?,時(shí)間,字,模塊,W0 M0,W1 M1,W2 M2,W3 M3,W0 M0,圖3.29 流水方式存取示意圖,設(shè)每個(gè)體的存儲(chǔ)字長(zhǎng)和數(shù)據(jù)總線的寬度一致, 低位交叉編址的存儲(chǔ)器模塊數(shù)為n,存取周期為T(mén),總線傳輸周期為?,當(dāng)采用流水線方式時(shí),應(yīng)滿足T= n?. n=T/?稱為交叉存取度,要求模塊數(shù)>=n,以保證啟動(dòng)某模塊后經(jīng)n?時(shí)間再啟動(dòng)該模塊時(shí),它的上一次存取操作已經(jīng)完成.,,,,,,,,,

27、,,,,,,,,,T,,?,時(shí)間,字,模塊,W0 M0,W1 M1,W2 M2,W3 M3,W0 M0,圖3.29 流水方式存取示意圖,對(duì)于低位交叉存儲(chǔ)器,連續(xù)讀取n個(gè)字所需時(shí)間t1為:t1=T+(n-1)?對(duì)于高位交叉存儲(chǔ)器,連續(xù)讀取n個(gè)字所需時(shí)間t2為:t2=nT,例:設(shè)存儲(chǔ)器容量為32字,字長(zhǎng)64位,模塊數(shù)m=4,分別用順序方式和交叉方式進(jìn)行組織.存儲(chǔ)周期T=200ns,數(shù)據(jù)總線寬度為64位,總線

28、傳送周期?=50ns.問(wèn)順序存儲(chǔ)器和交叉存儲(chǔ)器的帶寬各是多少?解:二者讀出4個(gè)字的信息量均為64 × 4=256位；所需時(shí)間不同,分別為:T1=T+(m-1)?=350nsT2=mT =800ns帶寬分別為：W1=256/350=73 × 107位/sW2=256/800=32 × 107位/s,例:某機(jī)器采用4體交叉存儲(chǔ)器,今執(zhí)行一小段循環(huán)程序,此程序放在存儲(chǔ)器的連續(xù)地址單元中.假設(shè)每,條指

29、令的執(zhí)行時(shí)間相等,而且不需要到存儲(chǔ)器存取數(shù)據(jù),請(qǐng)問(wèn)在下面兩種情況中(執(zhí)行的指令數(shù)相等),程序的運(yùn)行時(shí)間是否相等?(1)循環(huán)程序由6條指令組成,重復(fù)執(zhí)行80次.(2)循環(huán)程序由8條指令組成,重復(fù)執(zhí)行60次.,,,,,,,,,…,…,…,…,,,,,,,,,,,,,指令1,指令5,指令2,指令6,指令3,指令4,指令7,指令8,M0,M3,M2,M1,(1)T1=(T+7 ? ) + 8? × 79=T+639 ?,(2)T2

30、=(T+7 ? ) + 8? × 59=T+479 ?,T1-T2=160?,∴T1>T2,解:,(1)6條指令,重復(fù)80次(2)8條指令重復(fù)60次,例:設(shè)某計(jì)算機(jī)采用直接映像Cache,已知主存容量為4MB,Cache容量為4096B,字塊長(zhǎng)度為8個(gè)字(32位/字). (1)畫(huà)出反映主存與Cache映像關(guān)系的主存地址各字段分配框圖,并說(shuō)明各字段的名稱及位數(shù); (2)設(shè)cache初始狀態(tài)為空,若

31、CPU依次從主存第0,1,…,99號(hào)單元讀出100個(gè)字 (主存一次讀出一個(gè)字),并重復(fù)按此次序讀10次,問(wèn)命中率為多少？ (3)若Cache的存取時(shí)間為50ns,主存的存取時(shí)間為500ns,根據(jù)(2)求出的命中率,計(jì)算平均存取時(shí)間; (4)計(jì)算Cache-主存系統(tǒng)的效率.,解:(1)回顧—計(jì)算機(jī)系統(tǒng)既可按照字節(jié)尋址,也可按照字尋址.若某機(jī)主存容量為16K×32位,如果采用字編址,地址碼14位,如果采用字

32、節(jié)編址,則地址碼為16位。見(jiàn)下圖。,,,,,,,,,,,,,,,字地址,,字節(jié)地址,0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,FFFCH,FFFDH,FFFEH,FFFFH,0000 0000 0000 0000,0000 0000 0000 0100,0000 0000 0000 1000,,1111 1111 1111 1100,……..,字地址,0,31,00 0000 0000 0000,00 0000 0000 0001

33、,00 0000 0000 0010,11 1111 1111 1111,按字節(jié)編址與按字編址的區(qū)別,解:本題目中,主存容量為4MB,Cache容量為4KB,字長(zhǎng)為32位(4B),字塊大小為8個(gè)字(32B),則地址分配見(jiàn)下圖所示.,主存,,,,,,,,,字地址,,字節(jié)地址,0,1,2,3,4,5,6,8,9,A,B,3FFFFC,3FFFFD,3FFFFE,3FFFFF,00 0000 0000 0000 0000 0000,00 00

34、00 0000 0000 0000 0100,00 0000 0000 0000 0000 1000,,11 1111 1111 1111 1111 1100,……..,7,主存容量4MB,其地址22位,字塊8個(gè)字,共32B,故塊內(nèi)地址5位.主存分4MB/4KB=210組,故組數(shù)10位.Cache分4KB/(23×22)B=27塊,故組內(nèi)塊數(shù)7位.,,,,組數(shù)(10位),組內(nèi)塊數(shù)(7位),塊內(nèi)地址(5位),(2)由于Cache

35、初始為空,且塊長(zhǎng)為8,故CPU第一次讀出100個(gè)字時(shí),共有13次未命中(即讀第0、8、16、…、96號(hào)單元時(shí)未命中),以后9次重復(fù)讀這100個(gè)字時(shí),均命中,故命中率為: (100×10-13)/1000 ×100% =98.7%(3)平均訪問(wèn)時(shí)間=0.987×50ns+(1-0.987) ×500ns=55.85ns(4)Cache-主存系統(tǒng)的效率為: (50ns/55.8

36、5ns) ×100%=89.5%,例:(大綱中示例題：二、綜合應(yīng)用題43)某計(jì)算機(jī)的主存地址位數(shù)為32位,按字節(jié)編址.假定數(shù)據(jù)Cache中最多存放128個(gè)主存塊,采用4路組相聯(lián)方式,塊大小為64B,每塊設(shè)置了1位有效位.采用一次性寫(xiě)回策略,為此每塊設(shè)置了1位“臟(Dirty)”位.要求：(1)分別指出主存地址中標(biāo)記(Tag)、組號(hào)(Index)和塊內(nèi)地址(Offset)三部分的位置和位數(shù).,【解答】(1)主存地址格式劃分

37、如下：,標(biāo)記（Tag）,組號(hào)（Index）,塊內(nèi)地址（Offset）,Cache每塊64B,并且是字節(jié)尋址,故Offset段為6位；四路組相聯(lián)的Cache共128塊,所以組數(shù)為:128/4=25；組號(hào)Index為5位；32位主存地址中其余32-5-6=21位即Tag字段的位數(shù)(主存標(biāo)記).,例:(大綱中示例題：二、綜合應(yīng)用題43)某計(jì)算機(jī)的主存地址位數(shù)為32位,按字節(jié)編址.假定數(shù)據(jù)Cache中最多存放128個(gè)主存塊,采用4路組相聯(lián)方

38、式,塊大小為64B,每塊設(shè)置了1位有效位.采用一次性寫(xiě)回策略,為此每塊設(shè)置了1位“臟(Dirty)”位.要求：(2)計(jì)算該數(shù)據(jù)Cache的總位數(shù)(請(qǐng)給出詳細(xì)計(jì)算過(guò)程).,【解答】(2)Cache的容量(位數(shù))計(jì)算如下：該數(shù)據(jù)Cache有128塊；每塊數(shù)據(jù)部分64Byte=64 ×8=512位除數(shù)據(jù)外,每塊還有Tag標(biāo)記21位、有效位1位和“臟(Dirty)”位1位,即每塊除了數(shù)據(jù)外還要有21+1+1=23位;所以有