Lecture 13 多体交叉存储器

1、n提高访存速度的措施提高访存速度的措施n采用高速器件采用高速器件n采用层次结构采用层次结构 Cache 主存主存n调整主存结构调整主存结构n多个存储器并行工作多个存储器并行工作由于CPU和主存储器之间在速度上是不匹配的，这种情况便成为限制高速计算机设计的主要问题。课程结构双端口存储器n同一个存储器具有同一个存储器具有两组相互独立的读写控制电路两组相互独立的读写控制电路n两组相互独立的读写控制电路可同时进行存储器的读写两组相互独立的读写控制电路可同时进行存储器的读写n无冲突读写控制无冲突读写控制n送到两端口的读写地址不同时送到两端口的读写地址不同时n有冲突读写控制有冲突读写控制n两个端口同时存取

2、存储器同一存储单元时两个端口同时存取存储器同一存储单元时n双端口存储器一个例子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：如果条件：如果条件C满足转到指令满足转到指令5指令指令i10i1i1i2i2i3i3i4i4i10i10i1i1 i2i2 i3i3 i4i4 i10i10 (1) 存储器的模块化组织存储器的模块化组织 M0M1M2M3体内地址体内地址模块号模块号地址地址00 000000 000100 111101 000001 000101 111110 000010 000110 111111 000011

3、000111 1111顺序方式顺序方式 多模块交叉存储器M0地址地址01n1M1nn+12n1M22n2n+13n1M33n3n+14n1地址译码地址译码体内地址体内地址模块号模块号模块号模块号多模块交叉存储器多模块交叉存储器n顺序方式的特点顺序方式的特点n顺序访问地址连续的存储单元时顺序访问地址连续的存储单元时(局部性原理局部性原理)，只，只能单个模块工作，其他模块不工作（串行工作）能单个模块工作，其他模块不工作（串行工作）n某一模块出现故障时，其他模块可以照常工作；某一模块出现故障时，其他模块可以照常工作；n通过增添模块来扩充存储器容量比较方便。通过增添模块来扩充存储器容量比较方便。n各模

4、块串行工作，存储器的带宽受到了限制。各模块串行工作，存储器的带宽受到了限制。M0M1M2M3模块号模块号体内地址体内地址地址地址0000 000000 010000 100000 110001 000001 010001 100001 111111 001111 011111 101111 11交叉方式交叉方式多模块交叉存储器(2) 存储器的模块化组织存储器的模块化组织 M0地址地址044n4M1154n3M2264n2M3374n1地址译码地址译码 模块号模块号体内地址体内地址 模块号模块号多模块交叉存储器n多体交叉存储器是指存储体内有多个多个容量相同容量相同的存储模块存储模块，而且各存储模

5、块都有各自独立的有各自独立的地址寄存器、译码器和数据寄存器，地址寄存器、译码器和数据寄存器，各模块可独立进行工作。n多个模块采用交叉编址交叉编址，连续的地址被安排在不同的模块中。 多模块交叉存储器交叉方式的特点交叉方式的特点在不改变存取周期的前提下，增加存储器的带宽在不改变存取周期的前提下，增加存储器的带宽时间时间 单体单体访存周期访存周期 单体单体访存周期访存周期启动存储体启动存储体 0启动存储体启动存储体 1启动存储体启动存储体 2启动存储体启动存储体 3多模块交叉存储器 连续读取连续读取 4 个字所需的时间为个字所需的时间为 T(4 1)多模块交叉存储器设四模块交叉存储器，存取周期为设四

6、模块交叉存储器，存取周期为T，总线传输周期，总线传输周期(连续两次在总线上传输数据信息的最小间隔连续两次在总线上传输数据信息的最小间隔)为为，为，为实现流水线方式存取，应满足实现流水线方式存取，应满足 T/4。二模块交叉存储器举例计算机字长64位，存储模块数m=4，分别用顺序方式和交叉方式进行组织。存储周期T=200ns，数据总线宽度为64位，总线传送周期 =50ns。若连续读出4个字，问顺序存储器和交叉存储器的带宽各是多少?解：顺序存储器和交叉存储器连续读出解：顺序存储器和交叉存储器连续读出4个字所需的时间分别是：个字所需的时间分别是：t2=mT=4200ns=800ns=810-7st1=

7、T+(m-1) =200ns+150ns=350ns=3.510-7s4个字的信息总量是个字的信息总量是644256b顺序存储器和交叉存储器的带宽分别是：顺序存储器和交叉存储器的带宽分别是：W2=q/t2=256b(810-7)s=320Mb/sW1=q/t1=256b(3510-7)s=730Mb/s二模块交叉存储器举例 例 在一个具有八模块交叉的存储器中，如果处理器的访存地址为以下八进制。求该存储器比单体存储器的平均访问速率提高多少？（忽略初启时的延迟）（1）10018、10028、10038、 11008（2）10028、10048、10068、 12008解：设存储器的访问周期为T，总

8、线传送周期为t (一般t=T/m, m为模块数)。（1）八体低位多体交叉的存储器访问顺序如下： 1001810108所需时间 = T ； 1011810208所需时间 = T ； 10210810308所需时间 = T ； 1031810408所需时间 = T ； 1041810508所需时间 = T ； 1051810608所需时间 = T ； 1061810708所需时间 = T ； 1071811008所需时间 = T ；所以访问64个地址所需时间= 8T+7t； 单体存储器访问所需时间=64T； 所以平均访问速率提高：64/8 8100110018 8101010108 8101110

9、118 8102010208 8（2）单体存储器访问所需时间=64T；多体时： 1002810108所需时间 = T ；1012810208所需时间 = T ；1022810308所需时间 = T ；1032810408所需时间 = T ；1042810508所需时间 = T ；1052810608所需时间 = T ；1062810708所需时间 = T ；1072811008所需时间 = T ；1102811108所需时间 = T ；1112811208所需时间 = T ；1122811308所需时间 = T ；1132811408所需时间 = T ；1142811508所需时间 = T ；

10、1152811608所需时间 = T ；1162811708所需时间 = T ；1172812008所需时间 = T ；八体低位多体交叉的存储器访问64个地址所需时间= 16T+3t；100210028 8101010108 8101210128 8102010208 810021012同一模块，不能同时访问同一模块，不能同时访问练习练习 1. 某机采用四体交叉存储器，今执行一段小循环程序，此程序放在存储器的连续地址单元中，请问在下面两种情况下（执行指令数相等）。程序运行的时间是否相等？为什么？设每条指令的执行时间相同，每条指令占内容中的一个存储单元。（1）循环程序由6条指令组成，重复执行80

11、次。（2）循环程序由8条指令组成，重复执行60次。2. 在一个具有八体多体交叉的存储器中，如果处理器的访存地址为以下八进制。求该存储器比单体存储器的平均访问速率提高多少？（忽略初启时的延迟） 10038、10068、10118、 130081解：（1）在四体交叉存储器中取6条指令的时间=2T，重 复 执 行 8 0 次 的 时 间=802T=160T。（2）在四体交叉存储器中取8条指令的时间=2T，重 复 执 行 6 0 次 的 时 间=602T=120T。 所以第一种情况的运行的时间大于第二种情况的运行的时间。1234模块指令65432187详细分析n(1)如果取指令和执行指令并行，则答案中

12、应该没有执行时间如果取指令和执行指令并行，则答案中应该没有执行时间t0,因为因为执行在取指期间可以完成；执行在取指期间可以完成；n(2)如果取完指令后一定要执行，然后才能取下一指令，则没有发挥如果取完指令后一定要执行，然后才能取下一指令，则没有发挥交叉模块的作用，含交叉模块的作用，含6条指令的循环每次循环需要条指令的循环每次循环需要6(T+t0)；n(3)考虑上面第考虑上面第(1)种情况，对于种情况，对于6条指令的循环，如果最后一条跳转的条指令的循环，如果最后一条跳转的目标地址可以事先得知，则未执行完最后一条指令前目标地址可以事先得知，则未执行完最后一条指令前(或者在最后一或者在最后一条指令取

13、指的同时，即可开始新一轮循环的取指。新一轮循环中第一条指令取指的同时，即可开始新一轮循环的取指。新一轮循环中第一条指令取指时，需要在第五条指令取指完成之后条指令取指时，需要在第五条指令取指完成之后(因为第因为第1条指令与第条指令与第5条指令在同一模块条指令在同一模块)。故每轮循环需要。故每轮循环需要2T，具体的总时间应该分别为：，具体的总时间应该分别为：2T*80+t 和和2T*60+3tn(4)考虑上面第考虑上面第(1)种情况，如果每次循环的最后一条跳转的目标地址种情况，如果每次循环的最后一条跳转的目标地址必须取完该条指令后才能知道，则下一轮循环的取指就不能和上一轮必须取完该条指令后才能知道

14、，则下一轮循环的取指就不能和上一轮并行执行。此时，总时间应该分别为并行执行。此时，总时间应该分别为(T+5t)*80 和和 (T+7t)*60n(5)如果是突发访存，每轮循环时，先一下把指令都取出，再执行。如果是突发访存，每轮循环时，先一下把指令都取出，再执行。则为则为(T+5t+6t0)*80 和和 (T+7t+8t0)*602解：设存储器的访问周期为T。 （1）八体低位多体交叉的存储器访问的情况如下： 1003、1006、1011、1014、1017、1022、1025、1030所需时间 = T ；1033、1036、1041、1044、1047、1052、1055、1060所需时间 =

15、T 1063、1066、1071、1074、1077、1102、1105、1110所需时间 = T 1113、1116、1121、1124、1127、1132、1135、1140所需时间 = T 1143、1146、1151、1154、1157、1162、1165、1170所需时间 = T 1173、1176、1201、1204、1207、1212、1215、1220所需时间 = T 1223、1226、1231、1234 1237、1242、1245、1250所需时间 = T 1253、1256、1261、1264、1267、1272、1275、1300所需时间 = T ；八体低位多体交叉的存储器访问所需时间=8T; 单体存储器访问所需时间=64T；所以平均