第三章存儲(chǔ)系統(tǒng)[四]

1、第三章第三章 存儲(chǔ)系統(tǒng)存儲(chǔ)系統(tǒng) 存儲(chǔ)器概述存儲(chǔ)器概述主存儲(chǔ)器的基本構(gòu)造和操作主存儲(chǔ)器的基本構(gòu)造和操作 主存儲(chǔ)器組織主存儲(chǔ)器組織 高速緩沖存儲(chǔ)器高速緩沖存儲(chǔ)器Cache Cache 高速存儲(chǔ)器高速存儲(chǔ)器半導(dǎo)體存儲(chǔ)器芯片半導(dǎo)體存儲(chǔ)器芯片虛擬存儲(chǔ)器虛擬存儲(chǔ)器v原因：主存工作速度總落后于原因：主存工作速度總落后于CPU的需求的需求,主存主存容量總是落后于軟件的需求容量總是落后于軟件的需求.v提高存儲(chǔ)器性能的方法：提高存儲(chǔ)器性能的方法： 提高主存工作速度提高主存工作速度(1)(1)提高主存讀寫速度提高主存讀寫速度: :從最早使用的從最早使用的DRAMDRAM到后來的到后來的FPM DRAMFPM DRA

2、M、EDO DRAMEDO DRAM、SDRAM SDRAM 、DDR SDRAM DDR SDRAM 和若和若RDRAMRDRAM等等;(2);(2)在在DRAMDRAM芯片中采用高速存取芯片中采用高速存取方式方式, ,如相聯(lián)存儲(chǔ)器、雙端口存儲(chǔ)器等如相聯(lián)存儲(chǔ)器、雙端口存儲(chǔ)器等;(3);(3)采采用并行主存技術(shù)用并行主存技術(shù). . 改善系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改善系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用多級(jí)存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)采用多級(jí)存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu) 3.6 3.6 高速存儲(chǔ)器高速存儲(chǔ)器3.6.13.6.1 相聯(lián)存儲(chǔ)器相聯(lián)存儲(chǔ)器(CAMContent Access (CAMContent Access Memory)Memory)一、一、相聯(lián)相聯(lián)(

3、 (聯(lián)想聯(lián)想) )存儲(chǔ)器的實(shí)質(zhì)存儲(chǔ)器的實(shí)質(zhì)( (工作原理工作原理) )v與常規(guī)存儲(chǔ)器按地址訪問不同與常規(guī)存儲(chǔ)器按地址訪問不同,CAM,CAM是既可按是既可按地址尋址地址尋址, ,又可按內(nèi)容又可按內(nèi)容( (通常是某些字段通常是某些字段) )尋址尋址. .vCAMCAM的每個(gè)字由若干字段組成的每個(gè)字由若干字段組成, ,待檢索的某字待檢索的某字段作為段作為關(guān)鍵字關(guān)鍵字, ,用它與存儲(chǔ)體中所有單元進(jìn)行用它與存儲(chǔ)體中所有單元進(jìn)行比較比較, ,找出關(guān)鍵字相同的找出關(guān)鍵字相同的所有所有數(shù)據(jù)字?jǐn)?shù)據(jù)字. .v用于信息檢索、用于信息檢索、CacheCache和虛擬存儲(chǔ)器和虛擬存儲(chǔ)器. .二、相聯(lián)存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)與功能

4、二、相聯(lián)存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)與功能 結(jié)構(gòu)框圖如下：結(jié)構(gòu)框圖如下：檢索寄存器檢索寄存器(n(n位位) )屏蔽寄存器屏蔽寄存器(n(n位位) )數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)寄存器(n(n位位) )存儲(chǔ)體存儲(chǔ)體( (包括比較包括比較電路電路)(m)(m個(gè)單個(gè)單元，每單元元，每單元n n位位) )譯譯碼碼電電路路地址地址寄存器寄存器1 12 2mm匹匹配配寄寄存存器器 圖圖3.32 3.32 相聯(lián)存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)框圖相聯(lián)存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)框圖用來存放待檢索內(nèi)容用來存放待檢索內(nèi)容屏蔽關(guān)鍵字段屏蔽關(guān)鍵字段以外的值以外的值,即進(jìn)即進(jìn)行檢索時(shí)行檢索時(shí),將將MR中要比較的位置中要比較的位置置為置為1,不需要不需要比較的位置置為比較的位置置為0

5、.存儲(chǔ)體中各單元相存儲(chǔ)體中各單元相應(yīng)字段應(yīng)字段同時(shí)同時(shí)與關(guān)鍵字與關(guān)鍵字比較比較, ,相同者相同者, ,匹配匹配寄存器相應(yīng)位置為寄存器相應(yīng)位置為1. 1.若同時(shí)有若同時(shí)有i i個(gè)字滿足個(gè)字滿足要求要求, ,則相應(yīng)有則相應(yīng)有i i位為位為1 1譯碼電路譯碼電路找到對(duì)應(yīng)的找到對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)單元.也具備也具備按地址按地址訪問的訪問的功能。功能。CRCRMRMRCAM在在Cache中的中的具體應(yīng)用具體應(yīng)用數(shù)據(jù)寄存器存放數(shù)據(jù)寄存器存放讀出或?qū)懭氲臄?shù)據(jù)讀出或?qū)懭氲臄?shù)據(jù). 字選擇寄存器用來字選擇寄存器用來確定哪些字參與檢索確定哪些字參與檢索.字字選選擇擇寄寄存存器器55900 0000 00111第一次檢

6、索寄存器內(nèi)容第一次檢索寄存器內(nèi)容屏蔽寄存器內(nèi)容屏蔽寄存器內(nèi)容1趙趙XX男男175822錢錢XX男男186113孫孫XX 女女175844李李XX 男男19604N丁丁XX 女女18520序號(hào)序號(hào)姓名姓名 性別性別年齡年齡分?jǐn)?shù)分?jǐn)?shù)圖圖3.33 相聯(lián)存儲(chǔ)器檢索舉例相聯(lián)存儲(chǔ)器檢索舉例例如例如: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,要求列要求列出出“總分總分”在在560-600分范圍內(nèi)學(xué)生名單分范圍內(nèi)學(xué)生名單.可用二次查找完成可用二次查找完成:第一次第一次找出找出“總分總分”大于大于559的考生的考生,第二次再找出第二次再找出“總分總分”小于小于

7、601的考的考生生.匹配寄匹配寄存器存器字選擇字選擇寄存器寄存器55900 0000 00111第一次檢索寄存器內(nèi)容第一次檢索寄存器內(nèi)容屏蔽寄存器內(nèi)容屏蔽寄存器內(nèi)容1趙趙XX男男175822錢錢XX男男186113孫孫XX 女女175844李李XX 男男19604N丁丁XX 女女18520序號(hào)序號(hào)姓名姓名 性別性別年齡年齡分?jǐn)?shù)分?jǐn)?shù)圖圖3.33 相聯(lián)存儲(chǔ)器檢索舉例相聯(lián)存儲(chǔ)器檢索舉例分別將分別將559和和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，屏蔽寄存器只在只在“總分總分”字段上設(shè)置字段上設(shè)置111,而在其他字段設(shè)置而在其他字段設(shè)置000，表示不，表示不

8、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，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，并將比較寄存器中的先將匹配寄存器內(nèi)容送入字選擇寄存器，并將比較寄存器中的559更換為更換為601，然后將第二次查找結(jié)果送入匹配寄存器，匹配寄存器，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。位所對(duì)應(yīng)的考生，即為查找結(jié)果。匹配寄匹配寄存器存器字選擇字選擇寄存器寄存器 1 1 11 0 1 0 1 0 1檢索寄存器檢索寄存器(n(n位位) )屏蔽寄存器屏蔽寄存器(n(

9、n位位) )數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)寄存器(n(n位位) )存儲(chǔ)體存儲(chǔ)體( (包括比較包括比較電路電路)(m)(m個(gè)單個(gè)單元，每單元元，每單元n n位位) )譯譯碼碼電電路路地址地址寄存器寄存器1 12 2mm匹匹配配寄寄存存器器 圖圖3.32 相聯(lián)存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)框圖相聯(lián)存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)框圖CRCRMRMR從按地址訪問從按地址訪問的存儲(chǔ)器中檢的存儲(chǔ)器中檢索某一個(gè)單元，索某一個(gè)單元，平均約平均約W/2次次操作操作(W為存為存儲(chǔ)單元數(shù)儲(chǔ)單元數(shù))，而在相聯(lián)存儲(chǔ)而在相聯(lián)存儲(chǔ)器中僅需要進(jìn)器中僅需要進(jìn)行一次檢索操行一次檢索操作，故大大提作，故大大提高了處理速度。高了處理速度。3.6.2 3.6.2 雙端口存儲(chǔ)器雙端口存儲(chǔ)

10、器v端口：指讀端口：指讀/寫控制電路。寫控制電路。v常規(guī)存儲(chǔ)器為單端口存儲(chǔ)器，即每次只能接常規(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，訪問一個(gè)存儲(chǔ)單元。在高速系收一個(gè)地址，訪問一個(gè)存儲(chǔ)單元。在高速系統(tǒng)中，主存是信息交換的中心，統(tǒng)中，主存是信息交換的中心，CPU、外設(shè)、外設(shè)需要頻繁訪問主存，而單端口存儲(chǔ)器每次只需要頻繁訪問主存，而單端口存儲(chǔ)器每次只能接受一個(gè)訪存者，影響工作速度。能接受一個(gè)訪存者，影響工作速度。v雙端口存儲(chǔ)器：具有兩個(gè)彼此獨(dú)立的讀雙端口存儲(chǔ)器：具有兩個(gè)彼此獨(dú)立的讀/寫口，寫口，每個(gè)讀每個(gè)讀/寫口有獨(dú)立的地址寄存器和譯碼電路，寫口有獨(dú)立的地址寄存器和譯碼電路，可以并行地獨(dú)立工

11、作?？梢圆⑿械鬲?dú)立工作。地地址址寄寄存存器器地地址址寄寄存存器器譯譯碼碼器器譯譯碼碼器器存存儲(chǔ)儲(chǔ)體體應(yīng)用實(shí)例：應(yīng)用實(shí)例：FPM DRAM+FPM DRAM+雙口技術(shù)用于視頻卡（雙口技術(shù)用于視頻卡（VRAMVRAM）地址地址地址地址MDRMDRMDRMDR數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)讀寫電路讀寫電路讀寫電路讀寫電路WEWEWEWEMARMARMARMAR 工作方式：兩個(gè)讀工作方式：兩個(gè)讀/寫口可以按各自接收的地址，同時(shí)寫口可以按各自接收的地址，同時(shí)并行訪問主存。與兩個(gè)獨(dú)立存儲(chǔ)器不同的是，兩套讀并行訪問主存。與兩個(gè)獨(dú)立存儲(chǔ)器不同的是，兩套讀/寫寫口的訪存空間相同，可以訪問同一區(qū)間、同一存儲(chǔ)單元?？诘脑L存空間相

12、同，可以訪問同一區(qū)間、同一存儲(chǔ)單元。在發(fā)生在發(fā)生訪存沖突時(shí)由存儲(chǔ)器仲裁邏輯解決。訪存沖突時(shí)由存儲(chǔ)器仲裁邏輯解決。圖圖3.34 雙端口存儲(chǔ)器示意圖雙端口存儲(chǔ)器示意圖v3.6.3 3.6.3 多模塊交叉多模塊交叉( (多體交叉多體交叉) )存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器v一、并行主存系統(tǒng)一、并行主存系統(tǒng)v用用W/wW/w片字長(zhǎng)片字長(zhǎng)ww的芯片可以擴(kuò)展成的芯片可以擴(kuò)展成WW位字長(zhǎng)的存儲(chǔ)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)組織器，一般把這種擴(kuò)展叫存儲(chǔ)芯片的并聯(lián)組織( (位擴(kuò)位擴(kuò)展展) )。各個(gè)芯片同時(shí)工作，在一個(gè)。各個(gè)芯片同時(shí)工作，在一個(gè)TmTm內(nèi)讀出一個(gè)內(nèi)讀出一個(gè)WW位的字，獲得位的字，獲得Bm=W/TmB

13、m=W/Tm的頻寬。的頻寬。v同理可進(jìn)一步把同理可進(jìn)一步把n n個(gè)個(gè)WW位字長(zhǎng)的同容量存儲(chǔ)器并成位字長(zhǎng)的同容量存儲(chǔ)器并成一個(gè)更大的存儲(chǔ)器以獲得一個(gè)更大的存儲(chǔ)器以獲得Bm=n X W/TmBm=n X W/Tm的頻寬。的頻寬。這樣組織的主存系統(tǒng)叫并行主存系統(tǒng)。這樣組織的主存系統(tǒng)叫并行主存系統(tǒng)。v作用：加快從主存讀出信息到作用：加快從主存讀出信息到CPUCPU的速度，以解決的速度，以解決主存和主存和CPUCPU之間速度不匹配的問題。之間速度不匹配的問題。v二、并行主存系統(tǒng)的兩種組成方式二、并行主存系統(tǒng)的兩種組成方式單體多字單體多字方方式與式與多體并行多體并行方式方式v多個(gè)存儲(chǔ)體共用一套地址寄存器和

14、控制邏輯還是各多個(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)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。立工作？單體多字和多體并行即因此而有別。1 1、單體多字并行主存系統(tǒng)、單體多字并行主存系統(tǒng) 如下圖所示如下圖所示, ,多個(gè)并行工作的存儲(chǔ)器多個(gè)并行工作的存儲(chǔ)器共用一套地址寄共用一套地址寄存器存器, ,按同一地址碼并行地訪問各自的對(duì)應(yīng)單元按同一地址碼并行地訪問各自的對(duì)應(yīng)單元, ,假定送入假定送入的地址碼為的地址碼為A,A,則則n n個(gè)存儲(chǔ)器同時(shí)訪問各自的個(gè)存儲(chǔ)器同時(shí)訪問各自的A A號(hào)單元號(hào)單元. .可將可將這這n

15、 n個(gè)存儲(chǔ)器視作一個(gè)大的主存儲(chǔ)器個(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)于每個(gè)編址對(duì)應(yīng)于n n字字ww位位, ,故稱為單體多字方式故稱為單體多字方式, ,適用于向量運(yùn)算適用于向量運(yùn)算. . 即一個(gè)向量型的操作數(shù)即一個(gè)向量型的操作數(shù) 是是 n n個(gè)標(biāo)量型操作數(shù)的個(gè)標(biāo)量型操作數(shù)的 集合集合, ,可按同一地址分可按同一地址分 別存放于別存放于n n個(gè)并行主存?zhèn)€并行主存 中中. .地址寄存器地址寄存器地址地址M0M0M1M1.M n-1M n-1WW位位 WW位位.WW位位n nww圖圖3.35 單體多字并行主存系統(tǒng)單體多字并行主存系統(tǒng)地址譯碼器地址譯碼器2 2、多體并行主存系統(tǒng)、多體并行主存系

16、統(tǒng) (1)(1)多體交叉存儲(chǔ)器組成多體交叉存儲(chǔ)器組成: n: n個(gè)容量相同的存儲(chǔ)器個(gè)容量相同的存儲(chǔ)器( (或稱為或稱為n n個(gè)存儲(chǔ)個(gè)存儲(chǔ)體體), ),它們具有自己的地址寄存器、數(shù)據(jù)線、讀寫時(shí)序它們具有自己的地址寄存器、數(shù)據(jù)線、讀寫時(shí)序, ,形成可以同時(shí)形成可以同時(shí)工作又獨(dú)立編址且容量相同的工作又獨(dú)立編址且容量相同的n n個(gè)分存儲(chǔ)體個(gè)分存儲(chǔ)體, ,故稱為多體系統(tǒng)故稱為多體系統(tǒng). .總總 線線 控控 制制CPUCPU地址寄存器地址寄存器地址寄存器地址寄存器地址寄存器地址寄存器地址寄存器地址寄存器存存 控控 部部 件件04M0152637M1M2M3數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)存控部件：接存控部件：接收系統(tǒng)中各部收系統(tǒng)

17、中各部件或設(shè)備的訪件或設(shè)備的訪存請(qǐng)求，按預(yù)存請(qǐng)求，按預(yù)定的優(yōu)先順序定的優(yōu)先順序進(jìn)行排隊(duì)，響進(jìn)行排隊(duì)，響應(yīng)其訪存請(qǐng)求；應(yīng)其訪存請(qǐng)求；分時(shí)接收各請(qǐng)分時(shí)接收各請(qǐng)求源發(fā)來的訪求源發(fā)來的訪存地址，轉(zhuǎn)送存地址，轉(zhuǎn)送至相應(yīng)存儲(chǔ)體至相應(yīng)存儲(chǔ)體等等。等等。(2)多體交叉編址多體交叉編址 分為高位交叉分為高位交叉(順序方式順序方式)和低位交叉編址和低位交叉編址(交叉方式交叉方式)。 高位交叉編址高位交叉編址:程序按體內(nèi)地址連續(xù)存放程序按體內(nèi)地址連續(xù)存放,一個(gè)存儲(chǔ)體一個(gè)存儲(chǔ)體存滿后再存入下一個(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存儲(chǔ)器地址寄存器的高位表示體號(hào)示體號(hào),低位表示體內(nèi)地址低位表示體內(nèi)地

18、址.MDR M0地址譯碼地址譯碼 MARMDR M1地址譯碼地址譯碼 MARMDR Mn-1地址譯碼地址譯碼 MAR體號(hào)體號(hào)體內(nèi)地址體內(nèi)地址圖圖3.36(a) 高位交叉高位交叉編址的多體存儲(chǔ)器編址的多體存儲(chǔ)器0000000000MM0 0MM1 1MM2 2MM3 34 3 2 1 04 3 2 1 00000001001000001001000000110110000100100000010110100001101100000111111010100000001010010010101010010010101101101011001000101101101010111011001011111

19、111010000000101000100110100100101010011011101010010010101011011010110110101011111111 1100000011 1100100111 1101001011 1101101111 1110010011 1110110111 1111011011 11111111模塊模塊(分體分體)號(hào)號(hào)塊內(nèi)字地址塊內(nèi)字地址數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)寄存器MDRMDR（1616位）位）DB(16DB(16位位) )圖圖3.36(b)3.36(b)高位高位交叉交叉編址編址的多的多體存體存儲(chǔ)器儲(chǔ)器(例例)1616位位1616位位1616位位1616位位

20、高位交叉高位交叉即模塊地址即模塊地址在高位在高位v低位交叉編址低位交叉編址:同一存儲(chǔ)體中的地址是不連續(xù)的同一存儲(chǔ)體中的地址是不連續(xù)的,程程序連續(xù)存放在相鄰體中序連續(xù)存放在相鄰體中.存儲(chǔ)器地址寄存器的低位部存儲(chǔ)器地址寄存器的低位部分選擇不同的存儲(chǔ)體分選擇不同的存儲(chǔ)體,而高位部分則指向存儲(chǔ)體內(nèi)的而高位部分則指向存儲(chǔ)體內(nèi)的存儲(chǔ)字存儲(chǔ)字.MDR M0地址譯碼地址譯碼 MARMDR M1地址譯碼地址譯碼 MARMDR Mn-1地址譯碼地址譯碼 MAR體號(hào)體號(hào)體內(nèi)地址體內(nèi)地址圖圖3.37(a) 3.37(a) 低位交叉編址的多體存儲(chǔ)器低位交叉編址的多體存儲(chǔ)器0000000000數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線DBDB（1

21、616位）位）4 3 2 1 04 3 2 1 00000000101000000101000000011 1100100100000010010101001001101000100111 11010010000001001001010100101010010110101101101100000110110101011011101001101111 11100100000010010001011001001 10 01001001 11 110110100001011010101101101101010110111 111101100000110110010111011010101101101

22、1 1111111100001111110101111111101011111111 11模塊模塊(分體分體)號(hào)號(hào)塊內(nèi)字地址塊內(nèi)字地址譯碼器譯碼器尋找模塊尋找模塊圖圖3.37(b)3.37(b)低低位位交交叉叉編編址址的的多多體體存存儲(chǔ)儲(chǔ)器器(例例)MDRMDR0 0MDRMDR3 3MDRMDR2 2MDRMDR1 1MARMAR0 0MARMAR3 3MARMAR2 2MARMAR1 11616位位1616位位1616位位1616位位v高位交叉編址特點(diǎn)高位交叉編址特點(diǎn):地址高位選擇模塊地址高位選擇模塊,地址低位選擇字地址低位選擇字;某模塊進(jìn)行存取時(shí)某模塊進(jìn)行存取時(shí),其其它模塊不工作它模塊不

23、工作;某模塊出現(xiàn)故障時(shí)某模塊出現(xiàn)故障時(shí),不影不影響其它模塊響其它模塊;擴(kuò)容方便擴(kuò)容方便;各模塊串行工作各模塊串行工作,存儲(chǔ)器帶寬受限存儲(chǔ)器帶寬受限.v低位交叉編址特點(diǎn)低位交叉編址特點(diǎn): :地址低位選擇模塊地址低位選擇模塊,地址高位選擇字地址高位選擇字;連續(xù)地址分布在不同模連續(xù)地址分布在不同模塊中塊中,模塊可同時(shí)并行工作模塊可同時(shí)并行工作,提高了帶寬提高了帶寬;但一個(gè)模塊出錯(cuò)但一個(gè)模塊出錯(cuò),則程序出錯(cuò)則程序出錯(cuò).例例: :一個(gè)四體并行交叉存儲(chǔ)器，每個(gè)模塊的容量一個(gè)四體并行交叉存儲(chǔ)器，每個(gè)模塊的容量是是16K16K3232位，存取周期為位，存取周期為200ns200ns，在下述說，在下述說法中法中

24、( )( )是正確的。是正確的。v在在200ns200ns內(nèi)，該存儲(chǔ)器能向內(nèi)，該存儲(chǔ)器能向CPUCPU提供提供256256位二位二進(jìn)制信息進(jìn)制信息vB. B. 在在200ns200ns內(nèi)，該存儲(chǔ)器能向內(nèi)，該存儲(chǔ)器能向CPUCPU提供提供128128位位二進(jìn)制信息二進(jìn)制信息C. C. 在在50ns50ns內(nèi)，每個(gè)存儲(chǔ)模塊能向內(nèi)，每個(gè)存儲(chǔ)模塊能向CPUCPU提供提供3232位位二進(jìn)制信息二進(jìn)制信息D. D. 在在50ns50ns內(nèi)，該存儲(chǔ)器能向內(nèi)，該存儲(chǔ)器能向CPUCPU提供提供128128位二位二進(jìn)制信息進(jìn)制信息v(3)(3)多體交叉存儲(chǔ)體分時(shí)工作原理多體交叉存儲(chǔ)體分時(shí)工作原理v無論多體存儲(chǔ)器中

25、有幾個(gè)分體無論多體存儲(chǔ)器中有幾個(gè)分體,CPU,CPU與主存之間與主存之間數(shù)據(jù)通路仍是一個(gè)數(shù)據(jù)通路仍是一個(gè)WW位位.n.n個(gè)個(gè)WW位如何在一個(gè)存位如何在一個(gè)存儲(chǔ)周期儲(chǔ)周期TmTm中讀出中讀出? ? v分時(shí)啟動(dòng)多個(gè)分體分時(shí)啟動(dòng)多個(gè)分體, ,使得每個(gè)使得每個(gè)TmTm周期內(nèi)得到多周期內(nèi)得到多個(gè)單體字寬的數(shù)據(jù)個(gè)單體字寬的數(shù)據(jù). .v設(shè)主存有設(shè)主存有n n個(gè)分體個(gè)分體( (模塊模塊), ),各自的存取周期都是各自的存取周期都是TmTm；v則第一個(gè)分體啟動(dòng)后則第一個(gè)分體啟動(dòng)后, ,每隔每隔1/n1/n個(gè)個(gè)TmTm再啟動(dòng)下一再啟動(dòng)下一個(gè)分體個(gè)分體. .例例: :設(shè)有設(shè)有4 4體交叉的存儲(chǔ)器體交叉的存儲(chǔ)器, ,

26、分時(shí)即每隔分時(shí)即每隔1/4Tm1/4Tm啟啟動(dòng)一個(gè)分體動(dòng)一個(gè)分體. .要點(diǎn)要點(diǎn): :存儲(chǔ)器讀出雖用一個(gè)存儲(chǔ)器讀出雖用一個(gè)Tm,Tm,一旦一旦讀出后在主存讀出后在主存CPUCPU的總線上傳遞的速度以的總線上傳遞的速度以及處理的速度要比讀內(nèi)存快得多及處理的速度要比讀內(nèi)存快得多. .M3M3M2M2M1M1M0M0 1/4 2/4 3/4 1 2 t(Tm) 1/4 2/4 3/4 1 2 t(Tm) 圖圖3.38 3.38 模模4 4交叉存取分時(shí)工作示意圖交叉存取分時(shí)工作示意圖單體訪存周期單體訪存周期單體訪存周期單體訪存周期T T 時(shí)間時(shí)間字字 模塊模塊WW0 0 M M0 0WW1 1 M M1

27、 1WW2 2 M M2 2WW3 3 M M3 3WW0 0 M M0 0圖圖3.29 3.29 流水方式存取示意圖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)總線的寬度一致致, , 低位交叉編址的存儲(chǔ)器模塊數(shù)為低位交叉編址的存儲(chǔ)器模塊數(shù)為n,n,存取周存取周期為期為T,T,總線傳輸周期為總線傳輸周期為 ,當(dāng)采用流水線方式時(shí)當(dāng)采用流水線方式時(shí),應(yīng)滿足應(yīng)滿足T= n . n=T/ 稱為交叉存取度稱為交叉存取度,要求模塊數(shù)要求模塊數(shù)=n,以以保證啟動(dòng)某模塊后經(jīng)保證啟動(dòng)某模塊后經(jīng)n 時(shí)間再啟動(dòng)該模塊時(shí)時(shí)間再啟動(dòng)該模塊時(shí),它的上一次存取操作已經(jīng)完成它的上一次存取操

28、作已經(jīng)完成.T T 時(shí)間時(shí)間字字 模塊模塊WW0 0 M M0 0WW1 1 M M1 1WW2 2 M M2 2WW3 3 M M3 3WW0 0 M M0 0圖圖3.29 3.29 流水方式存取示意圖流水方式存取示意圖對(duì)于低位交叉存儲(chǔ)器對(duì)于低位交叉存儲(chǔ)器, ,連續(xù)讀連續(xù)讀取取n n個(gè)字所需時(shí)間個(gè)字所需時(shí)間t1 t1為為: :t1=T+(n-1)t1=T+(n-1) 對(duì)于高位交叉存儲(chǔ)器對(duì)于高位交叉存儲(chǔ)器,連續(xù)讀連續(xù)讀取取n個(gè)字所需時(shí)間個(gè)字所需時(shí)間t2為為:t2=nTt2=nT 例例: :設(shè)存儲(chǔ)器容量為設(shè)存儲(chǔ)器容量為3232字字, ,字長(zhǎng)字長(zhǎng)6464位位, ,模塊數(shù)模塊數(shù)m=4,m=4,分別分

29、別用順序方式和交叉方式進(jìn)行組織用順序方式和交叉方式進(jìn)行組織. .存儲(chǔ)周期存儲(chǔ)周期T=200ns,T=200ns,數(shù)據(jù)總線寬度為數(shù)據(jù)總線寬度為6464位位, ,總線傳送周期總線傳送周期 =50ns.=50ns.問順序問順序存儲(chǔ)器和交叉存儲(chǔ)器的帶寬各是多少存儲(chǔ)器和交叉存儲(chǔ)器的帶寬各是多少? ?解解: :二者讀出二者讀出4 4個(gè)字的信息量均為個(gè)字的信息量均為64 64 4=256 4=256位；位；v所需時(shí)間不同所需時(shí)間不同, ,分別為分別為: :vT1=T+(m-1)T1=T+(m-1) =350ns=350nsvT2=mT =800nsT2=mT =800nsv帶寬分別為：帶寬分別為：vW1=2

30、56/350=73 W1=256/350=73 10 107 7位位/s /svW2=256/800=32 W2=256/800=32 10 107 7位位/s /s 例例: :某機(jī)器采用某機(jī)器采用4 4體交叉存儲(chǔ)器體交叉存儲(chǔ)器, ,今執(zhí)行一今執(zhí)行一小段循環(huán)程序小段循環(huán)程序, ,此程序放在存儲(chǔ)器的連續(xù)此程序放在存儲(chǔ)器的連續(xù)地址單元中地址單元中. .假設(shè)每假設(shè)每, ,條指令的執(zhí)行時(shí)間條指令的執(zhí)行時(shí)間相等相等, ,而且不需要到存儲(chǔ)器存取數(shù)據(jù)而且不需要到存儲(chǔ)器存取數(shù)據(jù), ,請(qǐng)請(qǐng)問在下面兩種情況中問在下面兩種情況中( (執(zhí)行的指令數(shù)相執(zhí)行的指令數(shù)相等等), ),程序的運(yùn)行時(shí)間是否相等程序的運(yùn)行時(shí)間是否

31、相等? ?(1)(1)循環(huán)程序由循環(huán)程序由6 6條指令組成條指令組成, ,重復(fù)執(zhí)行重復(fù)執(zhí)行8080次次. .(2)(2)循環(huán)程序由循環(huán)程序由8 8條指令組成條指令組成, ,重復(fù)執(zhí)行重復(fù)執(zhí)行6060次次. .指令指令1 1指令指令5 5指令指令2 2指令指令6 6指令指令3 3指令指令4 4指令指令7 7指令指令8 8MM0 0MM3 3MM2 2MM1 1(1)T1=(T+7 (1)T1=(T+7 ) + 8 ) + 8 79=T+639 79=T+639 (2)(2)T2=T2=(T+7 (T+7 ) + 8 ) + 8 59=T+479 59=T+479 T1-T1-T2T2=160=16

32、0 T1T1T2T2解解:(1)6(1)6條指令條指令, ,重復(fù)重復(fù)8080次次(2)8(2)8條指令重復(fù)條指令重復(fù)6060次次例例: :設(shè)某計(jì)算機(jī)采用直接映像設(shè)某計(jì)算機(jī)采用直接映像Cache,Cache,已知主存容量為已知主存容量為4MB,Cache4MB,Cache容量為容量為4096B,4096B,字塊長(zhǎng)度為字塊長(zhǎng)度為8 8個(gè)字個(gè)字(32(32位位/ /字字). ). (1) (1)畫出反映主存與畫出反映主存與CacheCache映像關(guān)系的主存地址各字映像關(guān)系的主存地址各字段分配框圖段分配框圖, ,并說明各字段的名稱及位數(shù)并說明各字段的名稱及位數(shù); ; (2) (2)設(shè)設(shè)cachecac

33、he初始狀態(tài)為空初始狀態(tài)為空, ,若若CPUCPU依次從主存第依次從主存第0,1,990,1,99號(hào)單元讀出號(hào)單元讀出100100個(gè)字個(gè)字 ( (主存一次讀出一個(gè)字主存一次讀出一個(gè)字), ),并重復(fù)按此次序讀并重復(fù)按此次序讀1010次次, ,問命中率為多少？問命中率為多少？ (3)(3)若若CacheCache的存取時(shí)間為的存取時(shí)間為50ns,50ns,主存的存取時(shí)間為主存的存取時(shí)間為500ns,500ns,根據(jù)根據(jù)(2)(2)求出的命中率求出的命中率, ,計(jì)算平均存取時(shí)間計(jì)算平均存取時(shí)間; ; (4) (4)計(jì)算計(jì)算Cache-Cache-主存系統(tǒng)的效率主存系統(tǒng)的效率. .解解:(1):(1

34、)回顧回顧計(jì)算機(jī)系統(tǒng)既可按照字節(jié)尋址計(jì)算機(jī)系統(tǒng)既可按照字節(jié)尋址, ,也可按也可按照字尋址照字尋址. .若某機(jī)主存容量為若某機(jī)主存容量為16K16K3232位位, ,如果采用如果采用字編址字編址, ,地址碼地址碼1414位位, ,如果采用字節(jié)編址如果采用字節(jié)編址, ,則地址碼則地址碼為為1616位。見下圖。位。見下圖。 字地址字地址字節(jié)地址字節(jié)地址0123456789ABFFFCHFFFDHFFFEH FFFFH0000 0000 0000 00000000 0000 0000 01000000 0000 0000 10001111 1111 1111 1100.字地址字地址03100 0000

35、 0000 000000 0000 0000 000100 0000 0000 001011 1111 1111 1111按字節(jié)編址與按字編址的區(qū)別按字節(jié)編址與按字編址的區(qū)別解解: :本題目中本題目中, ,主存容量為主存容量為4MB,Cache4MB,Cache容量為容量為4KB,4KB,字字長(zhǎng)為長(zhǎng)為3232位位(4B),(4B),字塊大小為字塊大小為8 8個(gè)字個(gè)字(32B),(32B),則地址分配則地址分配見下圖所示見下圖所示. .主存主存字地址字地址字節(jié)地址字節(jié)地址012345689AB3FFFFC3FFFFD3FFFFE 3FFFFF00 0000 0000 0000 0000 0000

36、00 0000 0000 0000 0000 010000 0000 0000 0000 0000 100011 1111 1111 1111 1111 1100.7主存容量主存容量4MB,4MB,其地址其地址2222位位, ,字塊字塊8 8個(gè)字個(gè)字, ,共共32B,32B,故塊內(nèi)地址故塊內(nèi)地址5 5位位. .主存分主存分4MB/4KB=24MB/4KB=21010組組, ,故組數(shù)故組數(shù)1010位位.Cache.Cache分分4KB/(24KB/(23 32 22 2)B=2)B=27 7塊塊, ,故組內(nèi)塊數(shù)故組內(nèi)塊數(shù)7 7位位. .組數(shù)組數(shù)(10(10位位) )組內(nèi)塊數(shù)組內(nèi)塊數(shù)(7(7位位)

37、 )塊內(nèi)地址塊內(nèi)地址(5(5位位) )(2)(2)由于由于CacheCache初始為空初始為空, ,且塊長(zhǎng)為且塊長(zhǎng)為8,8,故故CPUCPU第第一次讀出一次讀出100100個(gè)字時(shí)個(gè)字時(shí), ,共有共有1313次未命中次未命中( (即讀即讀第第0 0、8 8、1616、9696號(hào)單元時(shí)未命中號(hào)單元時(shí)未命中), ),以后以后9 9次重復(fù)讀這次重復(fù)讀這100100個(gè)字時(shí)個(gè)字時(shí), ,均命中均命中, ,故命中率為故命中率為: : (100 (10010-13)/1000 10-13)/1000 100% =98.7%100% =98.7%(3)(3)平均訪問時(shí)間平均訪問時(shí)間=0.987=0.98750ns+(1-0.987) 50ns+(1-0.987) 500ns=55.85ns500ns=55.85ns(4)Cache-(4)Cache-主存系統(tǒng)的效率為主存系統(tǒng)的效率為: : (50ns/55.85ns) (50ns/55.85ns) 100%=89.5%100%=89.5%例例:( :(大綱中示例題：二、綜合應(yīng)用題大綱中示例題：二、綜合應(yīng)用題43)43)某某計(jì)算機(jī)的主存地址位數(shù)為計(jì)算機(jī)的主存地址位數(shù)為3232位位, ,按字節(jié)編