第三章存儲、中斷、總線與I/O系統(tǒng)

目錄存儲系統(tǒng)的基本要求和并行主存系統(tǒng)

中斷系統(tǒng)總線系統(tǒng)輸入/輸出系統(tǒng)存儲系統(tǒng)的基本要求

要求：大容量、高速度和低價格

存儲器的容量W：存儲體的字長（位、字節(jié)）l：每個存儲體的字數(shù)m：并行工作的存儲體個數(shù)

存儲器的存取速度訪問時間是存儲器從接到訪存讀申請，到信息被讀到數(shù)據(jù)總線上所需的時間存儲周期是連續(xù)啟動一個存儲體所需要的間隔時間頻寬（帶寬）存儲器可提供的數(shù)據(jù)傳送速率，一般用每秒鐘傳送的信息位數(shù)（或字節(jié)數(shù)）來衡量單體的頻寬m個分體的最大頻寬實際頻寬<最大頻寬存儲器的價格

總價格

C每位價格

c舉例：頻寬平衡假定一臺計算機200MIPS（2億次）CPU取指令：200MW/s指令字長為一個字WCPU取操作數(shù)和保存結(jié)果：400MW/s各種I/O：5MW/s總和：605MW/s,假定存儲器字長為一個字主存的訪問周期(1/605=0.0016528)《=16.5ns實際上，主存（DRAM）(動態(tài)隨機存儲器)在200ns內(nèi)。相差100倍。

解決：并行主存

設(shè)置各種Cache采用存儲體系，特別是Cache存儲體系

單體單字存儲器地址寄存器W位讀出寄存器單體多字存儲器

地址寄存器

W位W位W位W位W位單字長寄存器多體單字交叉存取存儲器

存控（主存控制部件）地址寄存器0地址寄存器1地址寄存器2地址寄存器3M0M1M2M3總線控制CPUIOPm個存儲體分時啟動實際上是一種采用流水線方式工作的并行存儲器,理論上，存儲器的速度可望提高n倍

每存儲體的啟動間隔t為：

其中：n為存儲體個數(shù)

Tm為每個存儲體的訪問周期……tTm#0#1#2#m-1模m低位交叉編址

地址A=m*i+j；i=0,1,2…l-1j=0,1,2…m-1尋址規(guī)則：體地址

j=Amodm(A%m)體內(nèi)地址

i=A/m:0,m,2m,………m(l-1)+0:i,m+i,2m+i,………m(l-1)+I適合于單處理機內(nèi)的數(shù)據(jù)存取和帶Cache的主存

模4低位交叉編址模體地址編址序列對應(yīng)二進制地址碼最末二位狀態(tài)M00,4,8,12,…,4i+0,…00M11,5,9,13,…,4i+1,…01M22,6,10,14,…,4i+2,…10M33,7,11,15,…,4i+3,…11MBR存儲體0MARMBR存儲體n-1MARMBR存儲體1MAR……存儲器地址寄存器（高位）譯碼器（低位）……模m高位交叉編址地址A=m*j+i；i=0,1,2…l-1;j=0,1,2…m-1尋址規(guī)則：體地址

j=A/l體內(nèi)地址

I=Amodl(A%l):0,1,2,……l-1:il,il+1,………(i+1)l–1適合于共享存儲器的多機系統(tǒng)，適用于指令和數(shù)據(jù)分別存于不同分體中

MBR存儲體0MARMBR存儲體n-1MARMBR存儲體1MAR……譯碼器（高位）存儲器地址寄存器（低位）……混合編址

按高位分為模塊，模塊內(nèi)按低位交叉控制復(fù)雜，不常采用

并行主存系統(tǒng)

能并行讀取多個CPU字的單體多字、多體單字或多體多字的交叉存儲主存系統(tǒng)。

定量分析主存頻寬與分體數(shù)m、轉(zhuǎn)移概率λ的關(guān)系

設(shè)對具有m路獨立模體的并行主存系統(tǒng)，CPU發(fā)出地址的訪存申請隊列，假定：（1）在每一個主存周期之前，掃描隊列，截?。?）是在k個地址中沒有兩個或兩個以上的地址處于同一模體中，顯然,k<=m

（3）截取的k個地址的隊列，能同時訪問k個模體，

k=1,2,…m

另設(shè)：

P(k)表示申請長度為k，且不沖突的概率密度函數(shù)。顯然k的平均值：

設(shè)轉(zhuǎn)移概率λ：給定指令的下一條指令地址為非順序地址的概率。則:帶入上式：由數(shù)學(xué)歸納法得：是一個等比級數(shù)，因此：

用歸納法證明用歸納法證明（續(xù)）說明λ=1時，B=1λ=0時，B=m,效率最高λ>0.3時，m=4、8、16的B差別不大λ<0.1時,m值的大小對B的改進會有顯著影響一般取m<=8m=2,4,8對數(shù)據(jù)來講，由于隨機性大，因此靠加大m不一定滿足要求。

轉(zhuǎn)移概率0.20.40.60.81.0246810121416B字數(shù)/主存周期m=4m=8m=16舉例設(shè)訪存申請隊列的轉(zhuǎn)移概率λ為25%，比較在模32和模16的多體單字交叉存儲器中，每一個周期能訪問到的平均字數(shù)。每一個周期能訪問到的平均字數(shù)為：將λ=25%，m=32代入上式，可求得：將λ=25%，m=16代入上式，可求得：將λ=25%，m=8代入上式，可求得：結(jié)論從最壞情況考慮，設(shè)所有申請（包括指令和數(shù)據(jù)）都是全隨機的，Hellerman用單來單服務(wù)、先來先服務(wù)的排隊論模型進行模擬，可得出隨m的提高，主存頻寬只是以近似的關(guān)系改善