復(fù)習(xí)參考版計算機原理standard第5章5講

本節(jié)概要重點內(nèi)容5.5并行主存系統(tǒng)5.6虛擬機5.7并行與存儲器層次結(jié)構(gòu)基本要求掌握并行主存系統(tǒng)了解虛擬機的基本知識理解cache一致性回顧內(nèi)容5.4虛擬存儲器虛擬存儲器的基本概念按需調(diào)頁虛擬地址空間虛擬存儲器組織方式三種方式：頁式、段式、段頁式邏輯地址—物理地址的轉(zhuǎn)換頁表缺頁處理快表替換策略存儲保護(hù)地址越界檢查存取權(quán)限檢查上節(jié)回顧《ComputerOrganizationandDesign》P5625.14題(選做)、補充題

《ComputerOrganizationandDesign》第5章第6、8節(jié)《計算機原理和設(shè)計》第5章第7節(jié)

并行存儲器系統(tǒng)虛擬機

拓展閱讀作業(yè)存儲器與CPU速度差距愈來愈大從上圖可以看出什么？ DRAM、硬盤與CPU之間的速度差距愈來愈大！由于CPU工作速度很快，內(nèi)存速度比較慢(差1～2個數(shù)量級)，從內(nèi)存取數(shù)或向內(nèi)存寫數(shù)時，CPU往往需要等待。解決內(nèi)存訪問速度慢的措施：提高主存芯片本身的速度在主存和CPU之間加入Cache采用多模塊存儲器技術(shù)決定存儲系統(tǒng)三個基本參數(shù)

——容量、速度和價格

(1)容量(S)S=W*L*M

W——存儲器字長

L——每個存儲體的字?jǐn)?shù)

M——存儲體的個數(shù)

(2)速度(T)

存取時間(Ta)：從接收讀/寫命令到信息從存儲器讀出/寫入所需的時間存儲周期(TM)：連續(xù)兩次啟動同一存儲器所需的最小時間間隔存儲帶寬(Bm)：存儲器連續(xù)訪問時，可提供信息的傳送速率，即每秒傳送的信息位數(shù)Bm=w/TM計算機的存儲系統(tǒng)(3)價格(C)

每位價格

C=總價格/容量

三個參數(shù)之間的關(guān)系：

存儲器的速度越快，每位的價格就越高存儲器的容量越大，存儲器的速度就越慢把速度、容量和價格不同的多個物理存儲器組織成一個層次結(jié)構(gòu)的存儲系統(tǒng)，該存儲系統(tǒng)的速度最快，存儲容量最大，單位容量的價格最便宜計算機的存儲系統(tǒng)決定存儲系統(tǒng)三個基本參數(shù)

主存性能一直是計算機的重要性能指標(biāo)之一，決定著計算機系統(tǒng)的整體性能計算機系統(tǒng)期望主存：速度快、容量大、可靠性高、成本低但從計算機實現(xiàn)技術(shù)來看，存在兩個現(xiàn)實：主存速度的提高總是遠(yuǎn)遠(yuǎn)地落后于CPU速度的增長主存容量的擴(kuò)大總是遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了軟件的日益膨脹結(jié)論：單從存儲技術(shù)本身提高主存速度和容量很難滿足計算機系統(tǒng)的實際需求計算機的存儲系統(tǒng)提高訪存速度的措施采用高速器件提高CPU訪存速度的Cache——主存層次擴(kuò)大用戶編程邏輯空間的主存——輔存層次(即虛擬存儲技術(shù))

提高主存帶寬的并行主存系統(tǒng)單體多字并行主存多體交叉并行主存計算機的存儲系統(tǒng)從存儲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上采取有效措施層次式存儲系統(tǒng)多體(多模塊)并行交叉編址的主存儲器加快訪存速度措施之二：多模塊存儲器多體/多模塊存儲器多體存儲器

由若干個小存儲體組成共用MAR和MDR

不能提高數(shù)據(jù)訪問速度雙端口存儲器

通常作為雙口RAM或指令預(yù)取部件兩套獨立讀/寫控制電路、地址緩存、

地址譯碼及地址線和數(shù)據(jù)線能同時進(jìn)行兩個數(shù)據(jù)的讀/寫多模塊存儲器(多體交叉)

也包含多個小存儲體，每個體有自己的MAR、MDR和讀寫電路可獨立組成一個存儲模塊

能夠提高數(shù)據(jù)訪問速度根據(jù)不同的編址方式可分為：連續(xù)編址和交叉編址1、單體多字并行主存系統(tǒng)方法：把m字w位的n個存儲體構(gòu)造成m字w

×n位的存儲器，共用一套MAR、MAD、MBR、時序和讀寫線路存儲器每個地址中存儲著w*n位信息，單位時間里存儲器提供的信息，同單體單字相比提高了n倍并行主存系統(tǒng)n個容量相同的存儲體，每個存儲體都有自己的MAR、MAD、MBR、時序和讀寫線路，構(gòu)成n個完全獨立的存儲器，在存控的控制與協(xié)調(diào)下，實現(xiàn)重疊并行存取，稱之為多體交叉編址并行主存系統(tǒng)

兩種交叉編址方式多體高位交叉并行主存系統(tǒng)多體低位交叉并行主存系統(tǒng)2、多體交叉并行主存系統(tǒng)并行主存系統(tǒng)(1)高位交叉訪問存儲器主要目的：擴(kuò)大存儲器容量實現(xiàn)方法：用地址碼的高位區(qū)分存儲體號參數(shù)計算：

m：每個存儲體的容量

n：總共的存儲體個數(shù)

j：存儲體的體內(nèi)地址，j＝0,1,2,…,m-1k：存儲體的體號，k＝0,1,2,…,n-1存儲器地址A的計算公式為：

A＝m×k＋j

存儲器的體內(nèi)地址：Aj＝Amodm

存儲器的體號：Ak＝并行主存系統(tǒng)(1)高位交叉訪問存儲器連續(xù)字在一個模塊中；各個體并行工作M0地址01……n－1M1nn+1……2n－1M22n2n+13n－1M33n3n+14n－1…………地址譯碼體內(nèi)地址體號并行主存系統(tǒng)存儲地址的連續(xù)地址空間落在同一存儲體內(nèi)，容易發(fā)生訪存沖突，并行存取的可能性很小訪存沖突，就是同時有兩個或兩個以上訪存地址指向同一存儲體，不能同時進(jìn)行訪存目前只用于非共享主存(即每個處理機僅享用統(tǒng)一編址主存的部分連續(xù)地址空間)和專用Cache的多處理機系統(tǒng)中(1)高位交叉訪問存儲器并行主存系統(tǒng)(2)低位交叉訪問存儲器主要目的：提高存儲器訪問速度實現(xiàn)方法：用地址碼的低位區(qū)分存儲體號參數(shù)計算：

m：每個存儲體的容量

n：總共的存儲體個數(shù)

j：存儲體的體內(nèi)地址，j＝0,1,2,…,m-1k：存儲體的體號，k＝0,1,2,…,n-1

存儲器地址A的計算公式為：A＝n×j＋k

存儲器的體內(nèi)地址：Aj＝

存儲器的體號：Ak＝Amodn并行主存系統(tǒng)(2)低位交叉訪問存儲器M0地址04……4n－4M115……4n－3M2264n－2M3374n－1…………地址譯碼體號體內(nèi)地址連續(xù)字在連續(xù)模塊中；各個體輪流編址、并行工作并行主存系統(tǒng)存儲地址在同一存儲體中不是連續(xù)的，以n為模交叉編址。連續(xù)的程序或數(shù)據(jù)將交叉存放在n個存儲體中，可實現(xiàn)以n為模交叉并行存取，訪存沖突的概率很小為充分發(fā)揮并行性，多數(shù)計算機都采用低位交叉編址方式(2)低位交叉訪問存儲器并行主存系統(tǒng)低位交叉訪問存儲器的特點在不改變每個體的存取周期前提下，增加存儲器的帶寬n個存儲體分時啟動：一般采用流水線方式工作。每存儲體的啟動間隔為：t＝時間

單體訪存周期

單體訪存周期啟動存儲體0啟動存儲體1啟動存儲體2啟動存儲體3并行主存系統(tǒng)IncreasingBandwidth–Interleaving(交叉)AccessPatternwithoutInterleaving:CPUMemoryStartAccessforD1StartAccessforD2D1availableAccessBank0AccessBank1AccessBank2AccessBank3WecanAccessBank0againCPUMemoryBank1MemoryBank0MemoryBank3MemoryBank2AccessPatternwithInterleaving:多體交叉存儲在什么條件下可以增加帶寬？CPU訪問主存的存儲單元地址分布在不同體內(nèi)避免存儲體沖突軟件通過編譯程序做循環(huán)變換，可避免訪問相同的存儲體硬件采用質(zhì)數(shù)個存儲體的低位交叉并行主存系統(tǒng)——一種無訪問沖突的并行主存結(jié)構(gòu)。其實際帶寬接近于最大帶寬余數(shù)定律證明YH-1巨型機采用的是31個存儲體構(gòu)成的無沖突并行主存結(jié)構(gòu)并行主存系統(tǒng)支持Cache的存儲器系統(tǒng)性能指令執(zhí)行時發(fā)生Cache失靶，需到主存取數(shù)據(jù)或指令在主存和Cache之間傳輸?shù)膯挝皇荁lock問題：何存儲器組織使Block傳輸最快(misspenalty最小)？假定一個Block有4個字，則失靶損失各為多少時鐘？存儲器訪問過程：發(fā)送地址到內(nèi)存：1個總線時鐘訪問內(nèi)存的初始化時間：15個總線時鐘從總線上傳送一個字：1個總線時鐘1+4×15+4×1=65Two-word:1+2×15+2×1=33Four-word:1+15+1=17Interleavedfourbanksone-word:1+1×15+4×1=20并行計算機訪存模型UMA模型：緊耦合系統(tǒng)均勻存儲訪問模型特點物理存儲器被所有處理器均勻共享所有存儲器訪問任何存儲字的時間相同每臺處理器可帶私有高速緩沖外圍設(shè)備可以某種形式共享系統(tǒng)互連網(wǎng)絡(luò)P1I/OSMnSM1……..……..P2Pn并行計算機訪存模型NUMA模型：松耦合系統(tǒng)非均勻存儲訪問模型特點被共享的存儲器在物理上分布在各處理器中處理器訪問存儲器的時間是不一樣的每臺處理器可帶私有高速緩沖外圍設(shè)備可以某種形式共享虛擬機的概念最早出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代中期虛擬機感興趣的原因是，在指令集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(ISA)的層次上提供一個完整的系統(tǒng)級環(huán)境——系統(tǒng)級虛擬機一臺運行多個虛擬機的計算機可以支持多個不同的操作系統(tǒng)，這樣多個操作系統(tǒng)共享硬件資源支持虛擬機的軟件被稱為虛擬機監(jiān)視器(Virtualmachinemonitor，VMM)，是虛擬機技術(shù)的核心虛擬機的優(yōu)勢軟件管理：虛擬機提供一個可以運行完整軟件堆的抽象。虛擬機調(diào)度包括：一些運行舊操作系統(tǒng)、多數(shù)運行當(dāng)前操作系統(tǒng)、少數(shù)用來測試下一代操作系統(tǒng)版本硬件管理：虛擬機允許獨立的軟件堆能在共享硬件的同時獨立運行，從而合并了服務(wù)器的數(shù)量虛擬機虛擬機監(jiān)視器給客戶提供一個軟件接口，分開每個客戶端的狀態(tài)，且需將自己從客戶端軟件中隔離客戶軟件在虛擬機上的運行和它在本地硬件上的運行完全相同客戶軟件不能直接改變實際系統(tǒng)中的資源分配，VMM必須保證客戶下調(diào)只能和虛擬資源交互目前，指令集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)缺乏對虛擬機的支持保護(hù)需要同時依賴于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和操作系統(tǒng)虛擬機多核處理器意味在單芯片上有多個處理器，可能會共享一個公共的物理地址空間Cache共享數(shù)據(jù)帶來新的問題——Cache一致性問題兩個不同處理器所保存的存儲器視圖是通過各自的cache得到(采用寫直達(dá)cache)兩個處理器可能分別得到兩個不同的值并行與存儲器層次結(jié)構(gòu)：Cache一致性時間事件CPUA的cache內(nèi)容CPUB的cache內(nèi)容存儲器位置X的內(nèi)容001CPUA讀X002CPUB讀X0003CPUA向X寫1101Cache提供共享數(shù)據(jù)的遷移(migration)和復(fù)制(replication)遷移：數(shù)據(jù)項可以移入本地cache并以透明的方式使用。遷移減少訪問遠(yuǎn)程共享數(shù)據(jù)項的延遲和對共享存儲器帶寬的需求復(fù)制：當(dāng)共享數(shù)據(jù)被同時讀取時，Cache在本地對數(shù)據(jù)項做了備份。復(fù)制減少了訪問延遲和讀取共享數(shù)據(jù)時的競爭現(xiàn)象硬件協(xié)議維護(hù)Cache一致性關(guān)鍵是跟蹤所有共享數(shù)據(jù)塊的狀態(tài)偵聽協(xié)議(snooping)目錄協(xié)議實現(xiàn)Cache一致性的基本方案偵聽協(xié)議(snooping)在處理器寫數(shù)據(jù)之前，保證該處理器能獨立地訪問該數(shù)據(jù)項。又稱為寫無效協(xié)議(writeinvalidateprotocol)在某數(shù)據(jù)項執(zhí)行寫操作的時候，令cache中該數(shù)據(jù)項的其他所有副本無效，獨占訪問確保寫操作執(zhí)行時不存在其他可讀或可寫的數(shù)據(jù)項副本下表給出一個基于偵聽總線的寫無效協(xié)議的例子(cacha采用寫回機制)偵聽協(xié)議(snooping)處理器動作總線動作CPUA的cache內(nèi)容CPUB的cache內(nèi)容存儲器中位置X的內(nèi)容0CPUA讀XX在cache中缺失00CPUB讀XX在cache中缺失000CPUA向X寫1令X無效10CPUB讀XX在cache中缺失111小結(jié)多體交叉編址存儲器

包含多個小體，每個體有自己的MAR、MBR和讀寫電路，可獨立組成一個存儲模塊，能提高數(shù)據(jù)訪問速度連續(xù)編址：按高位地址劃分模塊交叉編址：按低位地址劃分模塊雙端口存儲器

兩套獨立的讀/寫控制電路、地址緩存、地址譯碼及地址線和數(shù)據(jù)線，能同時進(jìn)行兩個數(shù)據(jù)的讀/寫并行計算機訪存模型UMA模型：均勻存儲訪問模型NUMA模型：非均勻存儲訪問模型本章總結(jié)1存儲器的分類按存取方式分：隨機、順序、直接、相聯(lián)

按存儲介質(zhì)分：半導(dǎo)體、磁表面、激光盤

按信息可更改性：可讀可寫、只讀

按斷電后可否保存：易失、非易失按功能/容量/速度分：寄存器、Cache、主存(內(nèi)存)、輔存(外存)

存儲器的分層結(jié)構(gòu)

速度從快到慢、容量從小到大、價格從貴到便宜，按與