ch5-第五章并行存储器系统讲解.ppt

第五章 并行存储器系统;5.1 存储器系统的层次结构;五个参数： 存取时间ti：从CPU到第i层存储器的往返时间 存储器容量Si：第i层的字节或字的数量 每字节成本Ci：第i层存储器的成本为CiSi 传输带宽bi：相邻层之间传送信息的速率 传输单位Xi：i和i+1层之间数据传送的粒度 对存储器系统中各层次存储器的特性，1993年的统计数据如下表：;存储器层次;第五章 并行存储器系统;5.2 包含性、一致性和局部性; 2. 相邻层之间的数据传送单位 CPU?高速缓存：字 高速缓存?主存储器：块（每块32个字节（8个字）） 主存?磁盘：页面（比如每页4K字节，包含128块） 磁盘?磁带：段 包含性可以用下面的图来说明：;CPU寄存器; 5.2.2 一致性（coherence） 1.一致性定义 同一个信息项与后继存储器层次的副本是一致的。 如果在高速缓存中的一个字被修改过，那么在所有更高层上该字的副本也必须立即或最后加以修改 。 ; 2.维护一致性的两种策略 （1）写直达（write-through,WT），即如果在Mi（i=1，2，…，n-1）中修改了一个字，则在Mi+1中需要立即修改。 （2）写回（write-back,WB），即如果在Mi+1 中的修改延迟到Mi中正在修改的字被替换时才进行。 ; 5.2.3 局部性（locality） Hennessy和Patterson（1990年）提出了一条90-10规则：典型程序在10%的代码上可能要耗费其执行时间的90%（例如嵌套循环操作的最内层循环）。 时间局部性（temporal locality）：最近的访问项（指令或数据）很可能在不久的将来再次被访问。即对最近使用区域的集中访问。; 空间局部性（spatial locality）：一个进程访问的各项的地址彼此很近，例如，表操作或数组操作含对地址空间中某一区域的集中访问。 顺序局部性（sequential locality）：在典型程序中，除非转移指令产生不按次序的转移外，指令都是顺序执行的。 局部性原理指导我们去设计高速缓存、主存储器以及虚拟存储器组织。;第五章 并行存储器系统;5.3 存储器容量的规划; 5.3.1 命中率 在Mi中找到一个信息项时，称之为命中，反之称为缺失。 假定在层次结构中的存储器层次为Mi和Mi-1，其中i=1，2，…，n。在Mi??的命中率hi则是信息项可在Mi中找到的概率。它是表示两个相邻层Mi-1和Mi特性的函数。在Mi中的缺失率定义为1-hi。; 相继层的命中率是存储器容量、管理策略和程序行为的函数，它是独立的随机变量，其值在0到1之间。我们假设h0=0和hn=1，这意味着CPU总是先访问M1，并且访问到最外层Mn时总是命中的。 对Mi的访问频率为：; 通常情况下，有：; 5.3.2 有效存取时间 每当发生缺失时，就要付出代价去访问较高层次的存储器。这种缺失在Cache中称为块缺失。在主存储器中称为缺页错（page fault），因为块和页面是这些层次之间传送信息的单位。 缺页错付出的时间代价要比块缺失付出的更大：; 5.3.3 层次结构的优化 目标： 使Teff接近于M1的t1， 总成本接近于Mn的Cn。 优化过程可以表达为：对一个线性规划求最小值问题:; 例子：存储器层次结构设计; 解：; 层次化存储器系统必须解决的问题： （1）数据块在较高层存储器中存放在哪个位置？即块和页的定位问题。如果一个块存放在某一上层存储器中，怎样确定并找到该块，即块的寻址问题。 （2）不命中的将从下层存储器中访问，并将该块调入上层存储器中，但是如果上层存储器中已无空闲空间，则势必将上层存储器中的某一块调出，但应调出那一块，即替换问题。 （3）在写访问时，写入上层存储器中的数据必须在适当的时候写入下层存储器，何时写？;第五章 并行存储器系统;5.4 虚拟存储器技术; 5.4.1 共享存储和分布存储 MIMD系统可以分为两种： (1)tightly coupled shared-Memory multiprocessors (2)loosely coupled distributed-Memory multiprocessors 它们可以用图表示如下：;P1; 共享存储和分布存储的优缺点： 共享存储器： 易于编程，是单机的自然延伸； 程序员无数据划分的负担； 多进程并发的开销小，效率高，易于进程迁移，任务动态分配简单； 由于每个处理器都通过总线访问存储器，因而限制了处理器的个数，可扩展性差。; 分布存储器： 系统结构灵活