计算机体系结构 (4)

§4通道（CH） 一、CH的基本工作原理CH执行CH程序的过程CH的任务 二、CH流量计算和时空图绘制CH的类型CH流量计算字节多路CH响应处理时空图的绘制 1）计算每个子CH提供一个字节时间（1/f） 2）画出一个完整申请周期时空图 3）计算字节多路CH对每个字节响应的最长用 时子CH543210 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 t (s) 等待5s第四章 存贮体系 §1 引言一、存贮体系原理 1 存贮器的参数不足 1）容量不足的解决办法直接增加主存容量（S）这种办法从第一代到现在都采用，但只有此法不够 ，因此法随容量S增加，总价格C总，C位不变， 用此法不能使C位，因而不可能提高性能价格比。采用两级存贮器利用低价格的辅存扩充存贮容量，三种信息：活跃的信息，即当前正在使用的；待命的信息，将要使用的；静止的信息，已被使用而不再处理。可将活跃的和部分待 命的信息放在主存，其余放 在辅存，以减少主存容量的要求，从而可降低C位。在采用两级存贮器后，主辅存之间的信息调出与调 进的问题。）由程序员考虑和安排增加了程序员的负 担。 ）用辅助机构自动定位，从而引出了虚拟存贮 器。虚拟存贮器将高速辅存（如磁盘）伪装成主存访问，信息在主存 、辅存之间的调进（与调出）完全由辅助机构自动完成 ，象这种将主存与辅存作为有机整体的存贮系统称为虚 拟存贮器。2）速度不足存贮器的速度往往是整个计算机系统速度的一个瓶 颈。 办法之一是直接提高主存速度，此法也在采用，但 此法随存贮器速度的提高位价格 C位。在CPU和主存之间加入高速缓存（cache）。 CPU主存cache让CPU直接面对与它的速度相匹配的cache访问，此法 也需要在CPU与cache之间利用辅助机构完成cache与主存 之间的信息调进调出，cache与主存作为一个有机整体， 这也是一种存贮体系结构，称C-主存体系。 2 存贮体系中的辅助机构功能 1）地址映象功能：解决将M2中的信息采用何种规则调 入到M1中（即调入规则问题）。CPUM1M2 2）地址变换功能：根据映象规则，如何将包括M2在内 的大空间的地址变换为CPU能直接访问的M1中的地址 （即地址变换问题）。 3）替换算法功能：在M1中装满信息的条件下，采用何 种算法，算出调出M1的部分信息，使M2中的部分能调 到M1中（即替换算法问题）。3 存贮器中的有关术语 1）存贮器：凡是能存放信息的记忆装置，称存贮器 。 2）存贮系统：要有两种或两以上的存贮器，才能称 存贮系统，如主存与辅存。 3）存贮体系：只有将两（多）种不同的存贮器作为 一个有机整体的存贮系统，才能称为存贮体系。 4）存贮体系的两个分支虚拟存贮器，为扩充主存容量。Cache-主存体系，为提高访问速度。存储系统存储体系 存储器虚存 C-主4 对存贮体系的基本要求1）容量S：S2 S1（有足够的扩充空 间） 2）存取周期tm ：tm1 tm2（提高访问速度）3）位价格C位：C位2 C位1（才能降 低C总，提高性能价格比） 二、存贮器中的页式管理 1 页的概念页式管理中将虚拟存贮空间和实际存贮空 间等分成固定大小的页，使虚拟页可装入主 存中不同的实际页面位置。2 页式管理的地址表示 1）虚地址（逻辑地址，程序地址）：包括M2在内 的大空间地址。NvNrNv：虚页号Nr：页内地址 2）实地址（物理地址）：为CPU能直接访问的 M1中的地址。nvnrnv：实页号nr：页内地址3 页表1）页表所需行数与虚页号数相等，虚页号与页表 行号对应，因此无需虚页号字段。2）页表中每行内容可认为两个字段：实页号nv及装 入位（1位），0表示虚页未装入，1表示已装入。4 页式管理的地址变换1）根据Nv去查页表中的某一行m。2）查该行的装入位。3）装入位=1时，命中。表示该虚页已装入。从该行中送出nv（实页号）。再将Nr直送nr，即完成NvNr nv nr。4）装入位=0时，失效，表示该虚页未装入M1中。实页号 装入位01234567011 100 001 111 110 010 101 0005 页式管理中的表层次结构 1）产生页表层次的条件当用一页放不下页表时，就要用两页或两 个以上的页面来放页表，此时会出现页表层 次结构。 2）页表层次的计算设 虚页面数为2N，页面容量（大小）2P则 页表层次数=N/P如：某虚存空间有220个虚页面，页面容量512=29个单元则 页面层次数=20/9=33）计算每层表的单元数底层表页的单元数与虚页 面数2n=220相等，即220行。再计算 底层页表号占多少页面： 220÷29=211个页面中层页表单元数与底层页 表页面数相等，即211行，而中层又 占用多少页面：211÷29=22个页面上层页表单元数与中层页 表的页面数相等22行。4）画出各层页表层次结构示意图。上层(22行) 0 1 2 511 0 1 2 511 0 1 2 511 0 1 2 511 中层 (2n行4页)底层 (220行 211页)0 1 211-1总页面单元数：220+211+22 5）设所有页面数都放在主存，计 算从查表开始到最后实现访问所需时间为： 访存次数*tm=（表层次数+1）*tm= （N/P+1）*tm 访最后的数据信息 三、并行主存系统 1 定义：凡在一个存取周期之内，能向CPU提 供多个字的存贮系统都可称为并行主存系统。 2 实现方法 1）单体多字结构利用增加一个单元中的字数来实现，只需增加存 贮器中的数据线而地址线可不增加，且控制难度并未增 加，但对同时取出的多个字的利用不一定充分。2）多体单字结构 利用增加独立的存贮体数来实现，每个体内的数据线 未增加，但增加了控制复杂度和地址线数。 如： 4K字（每字32位） 单体多字 可用1K单元，每单元4字，则地址线10 条（210=1K），数据线32条*4=128条。 多体单字每个体内数据线32条，4个体共128条， 但地址线要12条（212=4K）。3）多体多字结构将上述1）、2）两结构组合而成，控制难度大，但每个tm向CPU提供的字最多，不过也存在对同时取出的字利用不一定充分的问题。3 多体单字的编址方式（设有4个体，每个体1K单元）1）体内连续编址（基本不用） 体号首址末址 001023 110242047 220483071 330724095特点：编址容易，控制方便；由于指令执行时，顺序执行的情况较多，上条 指令与下一条指令往往来自同一个体，因而在一个tm时 间内，不能向CPU提供2条或2条以上指令。 2）体内断续，体间连续（流水线技术在存贮器中的应 用）。体号0123地址0 4 8 40921 5 9 40932 6 10 40943 7 11 40951 某辅存共8个页面，每页 1024字，实际主存为4096字，采 用页表法进行地址映象，映象表 内容如下表所示： 1）列出会发生页面失效的全部 虚页号。 2）列出命中页面的全部虚页号 。 3）以下地址计算主存实地址： 0，3728，1023，1024，2055， 7800，4096，6800。 实页号装入位31 11 20 30 21 10 01 001 解： 失效的虚页号：2、3、5、7 。命中的虚页号：0、1、4、6 。查地址 Nv Nr nv 实地址 装入位 命中否 0 0 0 3 3072 1 命中 3728 3 656 3 3728 0 失效 1023 0 1023 3 4095 1 命中 1024 1 0 1 1024 1 命中 2055 2 7 2 2055 0 失效 7800 7 632 0 632 0 失效 4096 4 0 2 2048 1 命中 6800 6 656 0 656 1 命中首址尾址 01023 10242047 20483071 30724095 40965119 5120 614461437167 7168 8191虚页 0 1 2 3 4 5 6 7存贮器的参数不足:容量不足=>虚拟存贮器速度不足=>C-主存体系 存贮体系中的辅助机构功能:地址映象功能地址变换功能替换算法功能 存贮器中的页式管理:页式管理的地址变换 虚地址=>实地址变换虚地址=>页式虚地址=>页式实地址=>实地址页表层次的计算§§2 2地址映象及其变换地址映象及其变换有四种映象规则：全相联、直接、组相联和段相 联，为便于介绍以主、辅存体系为例。 一、全相联映象及其变换 1 含义：对辅存中的任何一个页面都可以放到主存 中的任何一个页面上的映象规则，称全相联映象。2 映象规则示意图 NV辅 主nV 3 地址变换1)地址表示2)全相联页表法。 与前面介绍的页式管理中的地址变换过程相同。Nv Nrnv nr虚地址实地址3）全相联目录表法要求用相联存贮器作目录表（相联存贮器是一 种 可按内容的特征字段来访问的一种存贮器）。 目录表的行数与主存页面数相等（本例 四行）。 目录表中每行的内容：）NV为相联比较字段；）nV为主存页号（非相联比较字段）。地址变换过程 ）将虚地址中的NV送目录表中去进行相联 比较（一个tm）。 ）当有某个比较器比较相等时，将该行nV 送出，同时Nrnr，实现了NvNrnvnr的变换（ 命中）.）若设有相等的，不命中，等待调入。这种办法，可降低表的容量，但要求有相联存贮 器，（目录表的行数与主存页数相等）。 4 特点： 1）产生页面冲突的可能性极小；2）不能实现查表与访存同时进行，不利于 访问速度提高。二、直接映象及其 变换 含义：先将辅 存按主存大小分为若 干块，在辅存的每块 内都有与主存相同的 页面数，辅存每块内 的页面只能调入到与 主存相同的页面上的 映象规则称直接映象 。 映象示意图d ：块号Nv：块内页号3 地址变换 1）地址表示 2）块表 块表长度与主存页面 数相等（本例四行）。 块表行中的内容：块 号d。 3）地址变换过程 根据Nv去查块表 中的Nv行； 将虚地址中的块号d与所选块表中的d比较； 比较相同时命中，直 接将Nvnv，Nrnr。比较不相同时，不命中。4 特点 1）可将查表与访问同时进行，有利于访问速度的提 高（命中时）。 2）产生页面冲突的可能性极大（因无灵活的存放余 地）。 三、组相联映象及其变换1 含义：先将主存分为页面数相同的若干组，再将辅 存按主存划分为若干区，组内采用全相联映象