ch5-第五章并行存儲器系統(tǒng)

1、第五章 并行存儲器系統(tǒng)5.1 存儲器系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)5.2 包含性、一致性和局部性5.3 存儲器容量的規(guī)劃5.4 虛擬存儲器技術(shù)5.5 交叉訪問的存儲器5.1 存儲器系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)存儲器系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)如下圖所示：CPU內(nèi)的寄存器高速緩存主存儲器磁盤存儲器磁帶機(jī)層0：M0層1：M1層2：M2層3：M3層4：M4容量和存取時間增加每位成本增加五個參數(shù)：存取時間ti：從CPU到第i層存儲器的往返時間存儲器容量Si：第i層的字節(jié)或字的數(shù)量每字節(jié)成本Ci：第i層存儲器的成本為CiSi傳輸帶寬bi：相鄰層之間傳送信息的速率傳輸單位Xi：i和i+1層之間數(shù)據(jù)傳送的粒度 對存儲器系統(tǒng)中各層次存儲器的特性，199

2、3年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)如下表：存儲器層次特性第0層CPU寄存器第1層高速緩存第2層主存儲器第3層磁盤存儲器第4層磁帶存儲器設(shè)備工藝存取時間容量(字節(jié))成本(美分/KB)帶寬(MB/S)傳送單位分配管理ECLSRAMDRAM磁盤機(jī)磁帶機(jī)10ns25-40ns60-100ns10-20ms2-20min512B128KB512MB60-228GB512G-2TB18000725.60.230.01400-800250-40080-1333-50.18-0.23字:4-8B塊:32B頁:0.5-1KB文件:5-512KB后援存儲器編譯器分配 硬件控制 操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)/用戶操作系統(tǒng)/用戶第五章 并行存儲器系

3、統(tǒng)5.1 存儲器系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)5.2 包含性、一致性和局部性5.2.1 包含性5.2.2 一致性5.2.3 局部性5.3 存儲器容量的規(guī)劃5.4 虛擬存儲器技術(shù)5.5 交叉訪問的存儲器5.2 包含性、一致性和局部性5.2.1 包含性（inclusion）1. 包含性的定義M0 M1 M2 Mn 所有信息項最初存放在最外層Mn，在處理過程中，它的子集復(fù)制到Mn-1，同樣， Mn-1的子集復(fù)制到Mn-2， 如果在Mi中找到一個信息字，那么同一個字的復(fù)制品在所有的高層Mi+1，Mi+2，Mn中都一定可以找到。2. 相鄰層之間的數(shù)據(jù)傳送單位CPU高速緩存：字高速緩存主存儲器：塊（每塊32個字節(jié)（8個字

4、）主存磁盤：頁面（比如每頁4K字節(jié)，包含128塊）磁盤磁帶：段包含性可以用下面的圖來說明：CPU寄存器baM1:高速緩存a,b為高速緩存塊，32個字節(jié)頁面AaM2:主存儲器頁面Bb頁面AaM3:磁盤存儲器頁面Bb段F段G頁面AaM4:磁帶機(jī)后援存儲器頁面Bb段F段G字單位塊單位頁單位段單位5.2.2 一致性（coherence）1.一致性定義同一個信息項與后繼存儲器層次的副本是一致的。如果在高速緩存中的一個字被修改過，那么在所有更高層上該字的副本也必須立即或最后加以修改 。2.維護(hù)一致性的兩種策略（1）寫直達(dá)（write-through,WT），即如果在Mi（i=1，2，n-1）中修改了一個字

5、，則在Mi+1中需要立即修改。 （2）寫回（write-back,WB），即如果在Mi+1 中的修改延遲到Mi中正在修改的字被替換時才進(jìn)行。5.2.3 局部性（locality）Hennessy和Patterson（1990年）提出了一條90-10規(guī)則：典型程序在10%的代碼上可能要耗費其執(zhí)行時間的90%（例如嵌套循環(huán)操作的最內(nèi)層循環(huán)）。時間局部性（temporal locality）：最近的訪問項（指令或數(shù)據(jù)）很可能在不久的將來再次被訪問。即對最近使用區(qū)域的集中訪問。空間局部性（spatial locality）：一個進(jìn)程訪問的各項的地址彼此很近，例如，表操作或數(shù)組操作含對地址空間中某一區(qū)域

6、的集中訪問。順序局部性（sequential locality）：在典型程序中，除非轉(zhuǎn)移指令產(chǎn)生不按次序的轉(zhuǎn)移外，指令都是順序執(zhí)行的。局部性原理指導(dǎo)我們?nèi)ピO(shè)計高速緩存、主存儲器以及虛擬存儲器組織。第五章 并行存儲器系統(tǒng)5.1 存儲器系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)5.2 包含性、一致性和局部性5.3 存儲器容量的規(guī)劃5.3.1 命中率5.3.2 有效存取時間5.4 虛擬存儲器技術(shù)5.5 交叉訪問的存儲器5.3 存儲器容量的規(guī)劃存儲器層次結(jié)構(gòu)的性能是由層次結(jié)構(gòu)的有效存取時間Teff決定的，它依賴于相繼層次的命中率和訪問頻率。5.3.1 命中率在Mi中找到一個信息項時，稱之為命中，反之稱為缺失。假定在層次結(jié)構(gòu)中的存

7、儲器層次為Mi和Mi-1，其中i=1，2，n。在Mi層的命中率hi則是信息項可在Mi中找到的概率。它是表示兩個相鄰層Mi-1和Mi特性的函數(shù)。在Mi中的缺失率定義為1-hi。相繼層的命中率是存儲器容量、管理策略和程序行為的函數(shù)，它是獨立的隨機(jī)變量，其值在0到1之間。我們假設(shè)h0=0和hn=1，這意味著CPU總是先訪問M1，并且訪問到最外層Mn時總是命中的。對Mi的訪問頻率為：iiihhhhf)1()1)(1(121是指在較低層次有i-1次缺失而在Mi有一次命中時訪問Mi成功的概率。111,1hffniinfff21通常情況下，有：這說明，訪問內(nèi)存比訪問外存要多。5.3.2 有效存取時間每當(dāng)發(fā)生

8、缺失時，就要付出代價去訪問較高層次的存儲器。這種缺失在Cache中稱為塊缺失。在主存儲器中稱為缺頁錯（page fault），因為塊和頁面是這些層次之間傳送信息的單位。缺頁錯付出的時間代價要比塊缺失付出的更大：nnnniiieffthhhhthhthtfT)1()1)(1()1(1211221115.3.3 層次結(jié)構(gòu)的優(yōu)化目標(biāo)：使Teff接近于M1的t1， 總成本接近于Mn的Cn。優(yōu)化過程可以表達(dá)為：對一個線性規(guī)劃求最小值問題:減到最小值。要將有效存取時間總價格的上限）時，對于niiieffniiitotaliitfTCSCCnitS101(,2, 1,0,0例子：存儲器層次結(jié)構(gòu)設(shè)計存儲器層次

9、存取時間容量價格/K字節(jié)高速緩存主存儲器磁盤陣列t1 = 25nst2 = 未知t3 = 4mss1=512K字節(jié)s2=32M字節(jié)s3 = 未知c1=1.25美元c2=0.2美元c3=0.0002美元要達(dá)到有效存取時間Teff=10.04s,高速緩存命中率為h1=0.98，主存儲器命中率h2=0.9，總成本上限為15000美元。解：nstthhhthhthTGByteSSCSCSCCeff90304.10)1)(1()1(8.391500023321221113332211代入可得代入有：如果在同樣的預(yù)算限制條件下，要吧主存儲器容量提高64M字節(jié)，那么只好以減少磁盤容量為代價，但是這一變化并不

10、影響高速緩存的命中率。如果使用合適的頁面替換算法，可能會增加主存儲器的命中率，Teff有所降低。層次化存儲器系統(tǒng)必須解決的問題：（1）數(shù)據(jù)塊在較高層存儲器中存放在哪個位置？即塊和頁的定位問題。如果一個塊存放在某一上層存儲器中，怎樣確定并找到該塊，即塊的尋址問題。（2）不命中的將從下層存儲器中訪問，并將該塊調(diào)入上層存儲器中，但是如果上層存儲器中已無空閑空間，則勢必將上層存儲器中的某一塊調(diào)出，但應(yīng)調(diào)出那一塊，即替換問題。（3）在寫訪問時，寫入上層存儲器中的數(shù)據(jù)必須在適當(dāng)?shù)臅r候?qū)懭胂聦哟鎯ζ鳎螘r寫？第五章 并行存儲器系統(tǒng)5.1 存儲器系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)5.2 包含性、一致性和局部性5.3 存儲器容量的

11、規(guī)劃5.4 虛擬存儲器技術(shù)5.3.1 共享存儲和分布存儲5.3.2 DSM與SVM5.3.3 虛擬存儲器的主要技術(shù)5.5 交叉訪問的存儲器5.4 虛擬存儲器技術(shù)提要：虛擬存儲器提供了幾乎沒有限制的存儲器工作空間。虛擬地址在編譯時產(chǎn)生。虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換在運行時進(jìn)行，需要使用轉(zhuǎn)換表和映象系統(tǒng)。替換策略。5.4.1 共享存儲和分布存儲MIMD系統(tǒng)可以分為兩種：(1)tightly coupled shared-Memory multiprocessors(2)loosely coupled distributed-Memory multiprocessors它們可以用圖表示如下：P1P2Pn

12、ICNSM1SMmshare-MemorymultiprocessorsPICNdistribued-MemorymultiprocessorsLMPLMPLM共享存儲和分布存儲的優(yōu)缺點：共享存儲器：易于編程，是單機(jī)的自然延伸；程序員無數(shù)據(jù)劃分的負(fù)擔(dān)；多進(jìn)程并發(fā)的開銷小，效率高，易于進(jìn)程遷移，任務(wù)動態(tài)分配簡單；由于每個處理器都通過總線訪問存儲器，因而限制了處理器的個數(shù)，可擴(kuò)展性差。分布存儲器：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活，可擴(kuò)展性好；處理機(jī)數(shù)目可達(dá)成百上千，處理速度有巨大的發(fā)展?jié)摿?；算法設(shè)計、編程以及任務(wù)動態(tài)分配比較困難；很難在處理機(jī)之間傳遞復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，難于進(jìn)程遷移；不能支持需要存儲空間的大規(guī)模數(shù)據(jù)處理要

13、求。分布存儲的兩種編程方法：（1）message-passing，用send，receive原語實現(xiàn)通信，要求程序員在進(jìn)程的整個運行期間對數(shù)據(jù)的移動都很清楚；（2）romote procedure call，語言一級傳送控制與數(shù)據(jù)，可以看作是本地調(diào)用，但透明度有限。缺點：這兩種方法都是用來解決不同地址空間的問題，在結(jié)點間傳遞復(fù)雜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時都比較困難，需要打包，傳遞指針也不可能實現(xiàn)。由于個處理機(jī)擁有不同的地址空間，使得進(jìn)程遷移時，該進(jìn)程所分配到的操作系統(tǒng)資源也得一起移動（打開得文件、文件存取控制塊等），這很費時。5.4.2 DSM與SVM1.DSM和SVM的提出 如何把共享和分布的優(yōu)點結(jié)合起來，

14、取長補短？共享分布存儲器（Distributed shared Memory，DSM）虛擬共享存儲器（Shared Virtual Memory，SVM）基于分布存儲器的多處理機(jī)上，實現(xiàn)物理上分布但邏輯上共享的存儲器系統(tǒng)。虛擬共享存儲器的邏輯結(jié)構(gòu)：CPU1虛擬共享存儲器LM1CPU2LM2CPUnLMn地址映射部件地址映射部件地址映射部件MIMD機(jī)器存儲系統(tǒng)的發(fā)展方向：共享存儲器分布存儲器共享分布存儲器2.DSM系統(tǒng)的特點 在DSM系統(tǒng)中，每一臺處理機(jī)都可以訪問全局存儲器的任一位置，用戶可以把它當(dāng)成全局共享存儲器系統(tǒng)。 優(yōu)點：編程容易系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活可擴(kuò)展性好系統(tǒng)價格低有較好的軟件移植性 DSM系

15、統(tǒng)編制的程序比用消息傳遞方式編制的程序效率高：（1）在DSM系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)都是以塊的方式進(jìn)行傳送，如果一個程序具有較高的局部性，則當(dāng)把一個數(shù)據(jù)塊傳送到一個結(jié)點后，該結(jié)點對它的訪問就成為本地訪問，而消息傳遞方式的每次訪問都需要通訊。（2）許多并行應(yīng)用程序都是分階段執(zhí)行的，每次執(zhí)行前，都有一個數(shù)據(jù)交換階段，其時間受通訊限制。在DSM系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)只有用到的時候才傳送，取消了數(shù)據(jù)交換階段，把通訊時間加以分散，提高了并行性。（3）DSM提供的虛存空間比單個結(jié)點的存儲空間大得多，減少了換頁操作。3.實現(xiàn)DSM的途徑 主要有三種：（1）硬件實現(xiàn)：將傳統(tǒng)的cache技術(shù)擴(kuò)展應(yīng)用到松耦合分布式存儲多處理機(jī)。要增加

16、專用部件以取得高效的實現(xiàn)。（2）操作系統(tǒng)和庫實現(xiàn)：利用虛擬存儲管理機(jī)制取得共享（sharing）和一致（coherence）。（3）編譯實現(xiàn)：自動將共享訪問轉(zhuǎn)換成同步和一致原語。用戶需要顯式控制全局?jǐn)?shù)據(jù)，當(dāng)傳遞大量數(shù)據(jù)時或試圖進(jìn)行進(jìn)程遷移時極其復(fù)雜。4.主要技術(shù)結(jié)構(gòu)（structure）粒度（granularity）數(shù)據(jù)訪問與一致性（access and cosistency）一致性語義（coherence semantics）可擴(kuò)展性（scalability）異構(gòu)性（heterogeneity）結(jié)構(gòu)指共享數(shù)據(jù)在存儲器中的框架（如對象和語言的類型）；粒度指基本共享單位長度（如字節(jié)、字、頁或復(fù)雜

17、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)）。第五章 并行存儲器系統(tǒng)5.1 存儲器系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)5.2 包含性、一致性和局部性5.3 存儲器容量的規(guī)劃5.4 虛擬存儲器技術(shù)5.5 交叉訪問的存儲器5.5.1 兩種組織方式5.5.2 兩種方式的比較5.3.3 帶寬和容錯5.5 交叉訪問的存儲器主存儲器由多個模塊構(gòu)成。假設(shè)主存儲器包含m=2a個存儲器模塊，每個模塊包含w=2b個存儲單元（字），則總存儲容量為個字bawm25.5.1 兩種組織方式交叉訪問的存儲器可以分為兩種：(1)低位交叉方式(2)高位交叉方式1.低位交叉方式存儲器地址的低a位用來指明存儲器模塊，高b位是每個模塊內(nèi)的字地址。低位m路交叉存取如下圖：MAB0mm(w-

18、1)MDBM0MAB1m+1mw-m+1MDBM1MABm-12m-1mw-1MDBMm-1MDB字模塊地址ab數(shù)據(jù)總線存儲器數(shù)據(jù)緩沖器模塊地址緩沖器字地址緩沖器2.高位交叉方式存儲器地址的高a位作為存儲器模塊地址，鄰接的存儲器單元被分配在同一個存儲器模塊中，在每個存儲器周期內(nèi)，只能對各模塊存取一個字。所以不支持鄰接單元的成塊存取。高位m路交叉存取如下圖：MAB01w-1MDBM0MABww+12w-1MDBM1MAB(m-1)wmw-w-1mw-1MDBMm-1MDB字模塊地址ab數(shù)據(jù)總線存儲器數(shù)據(jù)緩沖器模塊地址緩沖器字地址緩沖器5.5.2 兩種方式的比較 （1）低位交叉以流水線方式支持成塊

19、存取 將存儲器周期稱為主周期，細(xì)分為m個小周期（m稱為交叉存取度），如8路交叉，m=8，w=8，a=b=3，設(shè)為主周期，為小周期，則m8路低位交叉存取如下圖：0856存儲器地址寄存器(6位)M01957M121058M231159M341260M451361M561462M671563M7數(shù)據(jù)低位交叉流水線方式示意圖：W0W7W6W5W4W3W2W1時間為主周期，= /m為小周期，m為交叉存取度 （2）如果應(yīng)用問題很少共享地址空間，把一個進(jìn)程的幾頁集中在高位交叉存儲器的某個給定的存儲器模塊種，能有效的減少存儲器干擾，即每個存儲器模塊只和一臺處理機(jī)有關(guān)，可以減少存儲器沖突。5.5.3 帶寬和容錯 1.帶寬討論低位交叉情況。帶寬B的上限為m，下限為1。Hellerman（1967年）推導(dǎo)出來的公式為：mmB56.0如果使用16個存儲器模塊，則有效存儲器帶寬大約是單個存儲器的4倍。產(chǎn)生這一悲觀估算的原因是：不同長度的塊存取與單字存取在用戶程序中是隨機(jī)混合的。另外一種估算公式：Cragon（1992年）假設(shè)n個分量存放在m路交叉存取存儲器系統(tǒng)鄰接的存儲單元中，存取向量的