Lecture 13 多體交叉存儲器

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多個存儲器并行工作多個存儲器并行工作由于CPU和主存儲器之間在速度上是不匹配的，這種情況便成為限制高速計算機(jī)設(shè)計的主要問題。課程結(jié)構(gòu)雙端口存儲器n同一個存儲器具有同一個存儲器具有兩組相互獨(dú)立的讀寫控制電路兩組相互獨(dú)立的讀寫控制電路n兩組相互獨(dú)立的讀寫控制電路可同時進(jìn)行存儲器的讀寫兩組相互獨(dú)立的讀寫控制電路可同時進(jìn)行存儲器的讀寫n無沖突讀寫控制無沖突讀寫控制n送到兩端口的讀寫地址不同時送到兩端口的讀寫地址不同時n有沖突讀寫控制有沖突讀寫控制n兩個端口同時存取

2、存儲器同一存儲單元時兩個端口同時存取存儲器同一存儲單元時n雙端口存儲器一個例子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) 存儲器的模塊化組織存儲器的模塊化組織 M0M1M2M3體內(nèi)地址體內(nèi)地址模塊號模塊號地址地址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)地址模塊號模塊號模塊號模塊號多模塊交叉存儲器多模塊交叉存儲器n順序方式的特點順序方式的特點n順序訪問地址連續(xù)的存儲單元時順序訪問地址連續(xù)的存儲單元時(局部性原理局部性原理)，只，只能單個模塊工作，其他模塊不工作（串行工作）能單個模塊工作，其他模塊不工作（串行工作）n某一模塊出現(xiàn)故障時，其他模塊可以照常工作；某一模塊出現(xiàn)故障時，其他模塊可以照常工作；n通過增添模塊來擴(kuò)充存儲器容量比較方便。通過增添模塊來擴(kuò)充存儲器容量比較方便。n各模

4、塊串行工作，存儲器的帶寬受到了限制。各模塊串行工作，存儲器的帶寬受到了限制。M0M1M2M3模塊號模塊號體內(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器(2) 存儲器的模塊化組織存儲器的模塊化組織 M0地址地址044n4M1154n3M2264n2M3374n1地址譯碼地址譯碼 模塊號模塊號體內(nèi)地址體內(nèi)地址 模塊號模塊號多模塊交叉存儲器n多體交叉存儲器是指存儲體內(nèi)有多個多個容量相同容量相同的存儲模塊存儲模塊，而且各存儲模

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。 多模塊交叉存儲器交叉方式的特點交叉方式的特點在不改變存取周期的前提下，增加存儲器的帶寬在不改變存取周期的前提下，增加存儲器的帶寬時間時間 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存儲體啟動存儲體 0啟動存儲體啟動存儲體 1啟動存儲體啟動存儲體 2啟動存儲體啟動存儲體 3多模塊交叉存儲器 連續(xù)讀取連續(xù)讀取 4 個字所需的時間為個字所需的時間為 T(4 1)多模塊交叉存儲器設(shè)四模塊交叉存儲器，存取周期為設(shè)四

6、模塊交叉存儲器，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，為實現(xiàn)流水線方式存取，應(yīng)滿足實現(xiàn)流水線方式存取，應(yīng)滿足 T/4。二模塊交叉存儲器舉例計算機(jī)字長64位，存儲模塊數(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個字，問順序存儲器和交叉存儲器的帶寬各是多少?解：順序存儲器和交叉存儲器連續(xù)讀出解：順序存儲器和交叉存儲器連續(xù)讀出4個字所需的時間分別是：個字所需的時間分別是：t2=mT=4200ns=800ns=810-7st1=

7、T+(m-1) =200ns+150ns=350ns=3.510-7s4個字的信息總量是個字的信息總量是644256b順序存儲器和交叉存儲器的帶寬分別是：順序存儲器和交叉存儲器的帶寬分別是：W2=q/t2=256b(810-7)s=320Mb/sW1=q/t1=256b(3510-7)s=730Mb/s二模塊交叉存儲器舉例 例 在一個具有八模塊交叉的存儲器中，如果處理器的訪存地址為以下八進(jìn)制。求該存儲器比單體存儲器的平均訪問速率提高多少？（忽略初啟時的延遲）（1）10018、10028、10038、 11008（2）10028、10048、10068、 12008解：設(shè)存儲器的訪問周期為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器訪問順序如下： 1001810108所需時間 = T ； 1011810208所需時間 = T ； 10210810308所需時間 = T ； 1031810408所需時間 = T ； 1041810508所需時間 = T ； 1051810608所需時間 = T ； 1061810708所需時間 = T ； 1071811008所需時間 = T ；所以訪問64個地址所需時間= 8T+7t； 單體存儲器訪問所需時間=64T； 所以平均訪問速率提高：64/8 8100110018 8101010108 8101110

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

10、1152811608所需時間 = T ；1162811708所需時間 = T ；1172812008所需時間 = T ；八體低位多體交叉的存儲器訪問64個地址所需時間= 16T+3t；100210028 8101010108 8101210128 8102010208 810021012同一模塊，不能同時訪問同一模塊，不能同時訪問練習(xí)練習(xí) 1. 某機(jī)采用四體交叉存儲器，今執(zhí)行一段小循環(huán)程序，此程序放在存儲器的連續(xù)地址單元中，請問在下面兩種情況下（執(zhí)行指令數(shù)相等）。程序運(yùn)行的時間是否相等？為什么？設(shè)每條指令的執(zhí)行時間相同，每條指令占內(nèi)容中的一個存儲單元。（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. 在一個具有八體多體交叉的存儲器中，如果處理器的訪存地址為以下八進(jìn)制。求該存儲器比單體存儲器的平均訪問速率提高多少？（忽略初啟時的延遲） 10038、10068、10118、 130081解：（1）在四體交叉存儲器中取6條指令的時間=2T，重 復(fù) 執(zhí) 行 8 0 次 的 時 間=802T=160T。（2）在四體交叉存儲器中取8條指令的時間=2T，重 復(fù) 執(zhí) 行 6 0 次 的 時 間=602T=120T。 所以第一種情況的運(yùn)行的時間大于第二種情況的運(yùn)行的時間。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)該沒有執(zhí)行時間如果取指令和執(zhí)行指令并行，則答案中應(yīng)該沒有執(zhí)行時間t0,因為因為執(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，對于種情況，對于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，即可開始新一輪循環(huán)的取指。新一輪循環(huán)中第一條指令取指的同時，即可開始新一輪循環(huán)的取指。新一輪循環(huán)中第一條指令取指時，需要在第五條指令取指完成之后條指令取指時，需要在第五條指令取指完成之后(因為第因為第1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，具體的總時間應(yīng)該分別為：，具體的總時間應(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，總時間應(yīng)該分別為并行執(zhí)行。此時，總時間應(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，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，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)存儲器的訪問周期為T。 （1）八體低位多體交叉的存儲器訪問的情況如下： 1003、1006、1011、1014、1017、1022、1025、1030所需時間 = T ；1033、1036、1041、1044、1047、1052、1055、1060所需時間 =

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