计算机体系结构4

1、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

2、。,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

3、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。 Nv Nr Nv：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。 nv nr nv：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

4、：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,01234567,5 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=3,3）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： 22029=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：21129=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 5

5、11 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

6、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）,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）。,1 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。,1 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

7、2 2048 1 命中 6800 6 656 0 656 1 命中,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 Nr,nv 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

8、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，组间采用直接映象。,2 示意图 其中：Nd区号q 组号s 组内页号辅存q组号s组内页号主存,3 地址变换过程 1）地址表示辅（虚） Nd q s Nr主（实） q s nr,2）随机存贮器表 表的行数与组数相等（本例2组，即2行）。 每行大字段数与组内页面数相等（本例2个）。 每个大字段又分为三个小字段。Nd：区号；s：组内页号；s：主存组内页号。 每个大字段还有一个比较器。,

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