高等计算机系统结构浅析.ppt

高等计算机系统结构 黑龙江大学计算机科学技术学院 李金宝 2006年2月-2010年4月 高等计算机系统结构 第一章 并行计算机模型 第二章 程序划分与调度 第三章 系统互连与通信 第四章 可扩展性能原理 第五章 并行存储器系统 第六章 高速缓存与共享存储器 第七章 指令级并行处理 第八章 标量处理机与向量处理机 第九章 并行模型、语言与编译器 第十章 并行程序设计与开发 现代计算机系统都以存储器为中心，在计算机运行过程中，存储器是各种信息存储和交换的中心。 存储器系统的层次结构图 练习： P168 习题4.11 5.4.1 虚拟存储器工作原理 把主存储器、磁盘存储器和虚拟存储器都划分成固定大小的页，主存储器的页称为实页，虚拟存储器中的页称为虚页。 一个主存地址A由两部分组成，实页号p和页内偏移d 一个虚地址Av由三部分组成，用户号U、虚页号P和页内偏移D。 内部地址变换： 多用户虚拟地址Av变换成主存实地址A 多用户虚拟地址中的页内偏移D直接作为主存实地址中的页内偏移d 主存实页号p与它的页内偏移d直接拼接起来就得到主存实地址A 外部地址变换： 首先查外页表得到磁盘存储器实地址 把磁盘存储器实地址和主存储器实页号送入输入/输出处理机 把要访问数据所在的一整页都从磁盘存储器调入到主存储器 地址的映象与变换 三种地址空间：虚拟地址空间，主存储器地址空间，辅存地址空间 地址映象：把虚拟地址空间映象到主存地址空间 地址变换：在程序运行时，把虚地址变换成主存实地址 因地址映象和变换方法不同，有三种虚拟存储器：页式虚拟存储器、段式虚拟存储器、段页式虚拟存储器 1、段式虚拟存储器 地址映象方法：每个程序段都从0地址开始编址，长度可长可短，可以在程序执行过程中动态改变程序段的长度。 地址变换方法： 由用户号找到基址寄存器 从基址寄存器中读出段表的起始地址 把起始地址与多用户虚地址中段号相加得到段表地址 把段表中给出的起始地址与段内偏移D相加就能得到主存实地址 段式虚拟存储器的主要优点：(1) 程序的模块化性能好(2) 便于程序和数据的共享(3) 程序的动态链接和调度比较容易(4) 便于实现信息保护 段式虚拟存储器的主要缺点：(1) 地址变换所花费的时间比较长，需 要做两次加法运算(2) 主存储器的利用率往往比较低(3) 对辅存（磁盘存储器）的管理比较 困难 2、页式虚拟存储器 页式虚拟存储器把虚拟地址空间划分成一个个固定大小的块,每块称为一页,把主存储器的地址空间也按虚拟地址空间同样的大小划分为页。 页是一种逻辑上的划分，它可以由系统软件任意指定。 虚拟地址空间中的页称为虚页，主存地址空间中的页称为实页。 每个用户使用一个基址寄存器（在CPU内），通过用户号U可以直接找到与这个用户程序相对应的基址寄存器，从这个基址寄存器中读出页表起始地址。访问这个页表地址，把得到的主存页号p与虚地址中的页内偏移直接拼接起来得到主存实地址。 如图所示： 主要优点：(1) 主存储器的利用率比较高(2) 页表相对比较简单(3) 地址变换的速度比较快(4) 对磁盘的管理比较容易 主要缺点：(1) 程序的模块化性能不好(2) 页表很长，需要占用很大的存储空间。例如：虚拟存储空间4GB，页大小1KB，则页表的容量为4M字，16MB 3、段页式虚拟存储器 用户按照程序段来编写程序，每个程序段分成几个固定大小的页。 地址变换方法：(1) 先查段表，得到该程序段的页表起 始地址和页表长度(2) 再查页表找到要访问的主存实页号(3) 最后把实页号p与页内偏移d拼接得 到主存的实地址 页面替换算法及其实现方法 页面替换发生时间：当发生页面失效时，要从磁盘中调入一页到主存。如果主存所有页面都已经被占用，必须从主存储器中淘汰掉一个不常使用的页面，以便腾出主存空间来存放新调入的页面。 评价页面替换算法好坏的标准：一是命中率要高二是算法要容易实现 页面替换算法的使用：(1) 虚拟存储器中，主存页面的替换，一般用软件实现(2) Cache块替换一般用硬件实现(3) 虚拟存储器的快慢表中，快表存储字的替换，用硬件实现(4) 虚拟存储器中，用户基地址寄存器的替换，用硬件实现(5) 在有些虚拟存储器中目录表的替换 1、页面替换算法 随机算法 算法简单，容易实现； 没有利用历史信息，没有反映程序的局部性，命中率低。 (2) 先进先出算法 (FIFO) 比较容易实现，利用了历史信息，没有反映程序的局部性。 最先调入主存的页面，很可能也是经常要使用的页面。 (3) 近期最少使用算法 (LFU) 既充分利用了历史信息，又反映了程序的局部性 实现起来非常困难。 (4)最近最少