Lecture 13 多體交叉存儲(chǔ)器

1、n提高訪存速度的措施提高訪存速度的措施n采用高速器件采用高速器件n采用層次結(jié)構(gòu)采用層次結(jié)構(gòu) Cache 主存主存n調(diào)整主存結(jié)構(gòu)調(diào)整主存結(jié)構(gòu)n多個(gè)存儲(chǔ)器并行工作多個(gè)存儲(chǔ)器并行工作由于CPU和主存儲(chǔ)器之間在速度上是不匹配的，這種情況便成為限制高速計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的主要問(wèn)題。課程結(jié)構(gòu)雙端口存儲(chǔ)器n同一個(gè)存儲(chǔ)器具有同一個(gè)存儲(chǔ)器具有兩組相互獨(dú)立的讀寫(xiě)控制電路兩組相互獨(dú)立的讀寫(xiě)控制電路n兩組相互獨(dú)立的讀寫(xiě)控制電路可同時(shí)進(jìn)行存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)兩組相互獨(dú)立的讀寫(xiě)控制電路可同時(shí)進(jìn)行存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)n無(wú)沖突讀寫(xiě)控制無(wú)沖突讀寫(xiě)控制n送到兩端口的讀寫(xiě)地址不同時(shí)送到兩端口的讀寫(xiě)地址不同時(shí)n有沖突讀寫(xiě)控制有沖突讀寫(xiě)控制n兩個(gè)端口同時(shí)存取

2、存儲(chǔ)器同一存儲(chǔ)單元時(shí)兩個(gè)端口同時(shí)存取存儲(chǔ)器同一存儲(chǔ)單元時(shí)n雙端口存儲(chǔ)器一個(gè)例子n程序程序指令指令i1指令指令i2指令指令i3指令指令i4指令指令i5指令指令i6指令指令i7指令指令i8指令指令i9：如果條件：如果條件C滿足轉(zhuǎn)到指令滿足轉(zhuǎn)到指令5指令指令i10i1i1i2i2i3i3i4i4i10i10i1i1 i2i2 i3i3 i4i4 i10i10 (1) 存儲(chǔ)器的模塊化組織存儲(chǔ)器的模塊化組織 M0M1M2M3體內(nèi)地址體內(nèi)地址模塊號(hào)模塊號(hào)地址地址00 000000 000100 111101 000001 000101 111110 000010 000110 111111 000011

3、000111 1111順序方式順序方式 多模塊交叉存儲(chǔ)器M0地址地址01n1M1nn+12n1M22n2n+13n1M33n3n+14n1地址譯碼地址譯碼體內(nèi)地址體內(nèi)地址模塊號(hào)模塊號(hào)模塊號(hào)模塊號(hào)多模塊交叉存儲(chǔ)器多模塊交叉存儲(chǔ)器n順序方式的特點(diǎn)順序方式的特點(diǎn)n順序訪問(wèn)地址連續(xù)的存儲(chǔ)單元時(shí)順序訪問(wèn)地址連續(xù)的存儲(chǔ)單元時(shí)(局部性原理局部性原理)，只，只能單個(gè)模塊工作，其他模塊不工作（串行工作）能單個(gè)模塊工作，其他模塊不工作（串行工作）n某一模塊出現(xiàn)故障時(shí)，其他模塊可以照常工作；某一模塊出現(xiàn)故障時(shí)，其他模塊可以照常工作；n通過(guò)增添模塊來(lái)擴(kuò)充存儲(chǔ)器容量比較方便。通過(guò)增添模塊來(lái)擴(kuò)充存儲(chǔ)器容量比較方便。n各模

4、塊串行工作，存儲(chǔ)器的帶寬受到了限制。各模塊串行工作，存儲(chǔ)器的帶寬受到了限制。M0M1M2M3模塊號(hào)模塊號(hào)體內(nèi)地址體內(nèi)地址地址地址0000 000000 010000 100000 110001 000001 010001 100001 111111 001111 011111 101111 11交叉方式交叉方式多模塊交叉存儲(chǔ)器(2) 存儲(chǔ)器的模塊化組織存儲(chǔ)器的模塊化組織 M0地址地址044n4M1154n3M2264n2M3374n1地址譯碼地址譯碼 模塊號(hào)模塊號(hào)體內(nèi)地址體內(nèi)地址 模塊號(hào)模塊號(hào)多模塊交叉存儲(chǔ)器n多體交叉存儲(chǔ)器是指存儲(chǔ)體內(nèi)有多個(gè)多個(gè)容量相同容量相同的存儲(chǔ)模塊存儲(chǔ)模塊，而且各存儲(chǔ)模

5、塊都有各自獨(dú)立的有各自獨(dú)立的地址寄存器、譯碼器和數(shù)據(jù)寄存器，地址寄存器、譯碼器和數(shù)據(jù)寄存器，各模塊可獨(dú)立進(jìn)行工作。n多個(gè)模塊采用交叉編址交叉編址，連續(xù)的地址被安排在不同的模塊中。 多模塊交叉存儲(chǔ)器交叉方式的特點(diǎn)交叉方式的特點(diǎn)在不改變存取周期的前提下，增加存儲(chǔ)器的帶寬在不改變存取周期的前提下，增加存儲(chǔ)器的帶寬時(shí)間時(shí)間 單體單體訪存周期訪存周期 單體單體訪存周期訪存周期啟動(dòng)存儲(chǔ)體啟動(dòng)存儲(chǔ)體 0啟動(dòng)存儲(chǔ)體啟動(dòng)存儲(chǔ)體 1啟動(dòng)存儲(chǔ)體啟動(dòng)存儲(chǔ)體 2啟動(dòng)存儲(chǔ)體啟動(dòng)存儲(chǔ)體 3多模塊交叉存儲(chǔ)器 連續(xù)讀取連續(xù)讀取 4 個(gè)字所需的時(shí)間為個(gè)字所需的時(shí)間為 T(4 1)多模塊交叉存儲(chǔ)器設(shè)四模塊交叉存儲(chǔ)器，存取周期為設(shè)四

6、模塊交叉存儲(chǔ)器，存取周期為T，總線傳輸周期，總線傳輸周期(連續(xù)兩次在總線上傳輸數(shù)據(jù)信息的最小間隔連續(xù)兩次在總線上傳輸數(shù)據(jù)信息的最小間隔)為為，為，為實(shí)現(xiàn)流水線方式存取，應(yīng)滿足實(shí)現(xiàn)流水線方式存取，應(yīng)滿足 T/4。二模塊交叉存儲(chǔ)器舉例計(jì)算機(jī)字長(zhǎng)64位，存儲(chǔ)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，總線傳送周期 =50ns。若連續(xù)讀出4個(gè)字，問(wèn)順序存儲(chǔ)器和交叉存儲(chǔ)器的帶寬各是多少?解：順序存儲(chǔ)器和交叉存儲(chǔ)器連續(xù)讀出解：順序存儲(chǔ)器和交叉存儲(chǔ)器連續(xù)讀出4個(gè)字所需的時(shí)間分別是：個(gè)字所需的時(shí)間分別是：t2=mT=4200ns=800ns=810-7st1=

7、T+(m-1) =200ns+150ns=350ns=3.510-7s4個(gè)字的信息總量是個(gè)字的信息總量是644256b順序存儲(chǔ)器和交叉存儲(chǔ)器的帶寬分別是：順序存儲(chǔ)器和交叉存儲(chǔ)器的帶寬分別是：W2=q/t2=256b(810-7)s=320Mb/sW1=q/t1=256b(3510-7)s=730Mb/s二模塊交叉存儲(chǔ)器舉例 例 在一個(gè)具有八模塊交叉的存儲(chǔ)器中，如果處理器的訪存地址為以下八進(jìn)制。求該存儲(chǔ)器比單體存儲(chǔ)器的平均訪問(wèn)速率提高多少？（忽略初啟時(shí)的延遲）（1）10018、10028、10038、 11008（2）10028、10048、10068、 12008解：設(shè)存儲(chǔ)器的訪問(wèn)周期為T，總

8、線傳送周期為t (一般t=T/m, m為模塊數(shù))。（1）八體低位多體交叉的存儲(chǔ)器訪問(wèn)順序如下： 1001810108所需時(shí)間 = T ； 1011810208所需時(shí)間 = T ； 10210810308所需時(shí)間 = T ； 1031810408所需時(shí)間 = T ； 1041810508所需時(shí)間 = T ； 1051810608所需時(shí)間 = T ； 1061810708所需時(shí)間 = T ； 1071811008所需時(shí)間 = T ；所以訪問(wèn)64個(gè)地址所需時(shí)間= 8T+7t； 單體存儲(chǔ)器訪問(wèn)所需時(shí)間=64T； 所以平均訪問(wèn)速率提高：64/8 8100110018 8101010108 8101110

9、118 8102010208 8（2）單體存儲(chǔ)器訪問(wèn)所需時(shí)間=64T；多體時(shí)： 1002810108所需時(shí)間 = T ；1012810208所需時(shí)間 = T ；1022810308所需時(shí)間 = T ；1032810408所需時(shí)間 = T ；1042810508所需時(shí)間 = T ；1052810608所需時(shí)間 = T ；1062810708所需時(shí)間 = T ；1072811008所需時(shí)間 = T ；1102811108所需時(shí)間 = T ；1112811208所需時(shí)間 = T ；1122811308所需時(shí)間 = T ；1132811408所需時(shí)間 = T ；1142811508所需時(shí)間 = T ；

10、1152811608所需時(shí)間 = T ；1162811708所需時(shí)間 = T ；1172812008所需時(shí)間 = T ；八體低位多體交叉的存儲(chǔ)器訪問(wèn)64個(gè)地址所需時(shí)間= 16T+3t；100210028 8101010108 8101210128 8102010208 810021012同一模塊，不能同時(shí)訪問(wèn)同一模塊，不能同時(shí)訪問(wèn)練習(xí)練習(xí) 1. 某機(jī)采用四體交叉存儲(chǔ)器，今執(zhí)行一段小循環(huán)程序，此程序放在存儲(chǔ)器的連續(xù)地址單元中，請(qǐng)問(wèn)在下面兩種情況下（執(zhí)行指令數(shù)相等）。程序運(yùn)行的時(shí)間是否相等？為什么？設(shè)每條指令的執(zhí)行時(shí)間相同，每條指令占內(nèi)容中的一個(gè)存儲(chǔ)單元。（1）循環(huán)程序由6條指令組成，重復(fù)執(zhí)行80

11、次。（2）循環(huán)程序由8條指令組成，重復(fù)執(zhí)行60次。2. 在一個(gè)具有八體多體交叉的存儲(chǔ)器中，如果處理器的訪存地址為以下八進(jìn)制。求該存儲(chǔ)器比單體存儲(chǔ)器的平均訪問(wèn)速率提高多少？（忽略初啟時(shí)的延遲） 10038、10068、10118、 130081解：（1）在四體交叉存儲(chǔ)器中取6條指令的時(shí)間=2T，重 復(fù) 執(zhí) 行 8 0 次 的 時(shí) 間=802T=160T。（2）在四體交叉存儲(chǔ)器中取8條指令的時(shí)間=2T，重 復(fù) 執(zhí) 行 6 0 次 的 時(shí) 間=602T=120T。 所以第一種情況的運(yùn)行的時(shí)間大于第二種情況的運(yùn)行的時(shí)間。1234模塊指令65432187詳細(xì)分析n(1)如果取指令和執(zhí)行指令并行，則答案中

12、應(yīng)該沒(méi)有執(zhí)行時(shí)間如果取指令和執(zhí)行指令并行，則答案中應(yīng)該沒(méi)有執(zhí)行時(shí)間t0,因?yàn)橐驗(yàn)閳?zhí)行在取指期間可以完成；執(zhí)行在取指期間可以完成；n(2)如果取完指令后一定要執(zhí)行，然后才能取下一指令，則沒(méi)有發(fā)揮如果取完指令后一定要執(zhí)行，然后才能取下一指令，則沒(méi)有發(fā)揮交叉模塊的作用，含交叉模塊的作用，含6條指令的循環(huán)每次循環(huán)需要條指令的循環(huán)每次循環(huán)需要6(T+t0)；n(3)考慮上面第考慮上面第(1)種情況，對(duì)于種情況，對(duì)于6條指令的循環(huán)，如果最后一條跳轉(zhuǎn)的條指令的循環(huán)，如果最后一條跳轉(zhuǎn)的目標(biāo)地址可以事先得知，則未執(zhí)行完最后一條指令前目標(biāo)地址可以事先得知，則未執(zhí)行完最后一條指令前(或者在最后一或者在最后一條指令取

13、指的同時(shí)，即可開(kāi)始新一輪循環(huán)的取指。新一輪循環(huán)中第一條指令取指的同時(shí)，即可開(kāi)始新一輪循環(huán)的取指。新一輪循環(huán)中第一條指令取指時(shí)，需要在第五條指令取指完成之后條指令取指時(shí)，需要在第五條指令取指完成之后(因?yàn)榈谝驗(yàn)榈?條指令與第條指令與第5條指令在同一模塊條指令在同一模塊)。故每輪循環(huán)需要。故每輪循環(huán)需要2T，具體的總時(shí)間應(yīng)該分別為：，具體的總時(shí)間應(yīng)該分別為：2T*80+t 和和2T*60+3tn(4)考慮上面第考慮上面第(1)種情況，如果每次循環(huán)的最后一條跳轉(zhuǎn)的目標(biāo)地址種情況，如果每次循環(huán)的最后一條跳轉(zhuǎn)的目標(biāo)地址必須取完該條指令后才能知道，則下一輪循環(huán)的取指就不能和上一輪必須取完該條指令后才能知道

14、，則下一輪循環(huán)的取指就不能和上一輪并行執(zhí)行。此時(shí)，總時(shí)間應(yīng)該分別為并行執(zhí)行。此時(shí)，總時(shí)間應(yīng)該分別為(T+5t)*80 和和 (T+7t)*60n(5)如果是突發(fā)訪存，每輪循環(huán)時(shí)，先一下把指令都取出，再執(zhí)行。如果是突發(fā)訪存，每輪循環(huán)時(shí)，先一下把指令都取出，再執(zhí)行。則為則為(T+5t+6t0)*80 和和 (T+7t+8t0)*602解：設(shè)存儲(chǔ)器的訪問(wèn)周期為T。 （1）八體低位多體交叉的存儲(chǔ)器訪問(wèn)的情況如下： 1003、1006、1011、1014、1017、1022、1025、1030所需時(shí)間 = T ；1033、1036、1041、1044、1047、1052、1055、1060所需時(shí)間 =

15、T 1063、1066、1071、1074、1077、1102、1105、1110所需時(shí)間 = T 1113、1116、1121、1124、1127、1132、1135、1140所需時(shí)間 = T 1143、1146、1151、1154、1157、1162、1165、1170所需時(shí)間 = T 1173、1176、1201、1204、1207、1212、1215、1220所需時(shí)間 = T 1223、1226、1231、1234 1237、1242、1245、1250所需時(shí)間 = T 1253、1256、1261、1264、1267、1272、1275、1300所需時(shí)間 = T ；八體低位多體交叉的存儲(chǔ)器訪問(wèn)所需時(shí)間=8T; 單體存儲(chǔ)器訪問(wèn)所需時(shí)間=64T；所以平均