高等计算机系统结构课件.ppt

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1、高等计算机系统结构清华大学计算机科学与技术系高性能计算研究所郑纬民教授2007年10月计算机科学与技术系研究生课程高等计算机系统结构第一章高等计算机的核心技术——并行处理第二章加速比性能模型与可扩展性分析第三章互连与通信第四章划分与调度第五章并行存储器系统第六章CacheCoherence第七章MemoryConsistency第八章指令级并行处理第五章并行存储器系统5.1存储器系统的层次结构5.2包含性、一致性和局部性5.3存储器容量的规划5.4虚拟存储器技术5.5交叉访问的存储器5.1存储器系统的层次结构存储器系统的层次结构如下图所示：CPU内的寄存器高速缓存主存储器磁盘存储

2、器磁带机层0：M0层1：M1层2：M2层3：M3层4：M4容量和存取时间增加每位成本增加五个参数：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：存储器层次特性第0层CPU寄存器第1层高速缓存第2层主存储器第3层磁盘存储器第4层磁带存储器设备工艺存取时间容量(字节)成本(美分/KB)带宽(MB/S)传送单位分配管理ECLSRAMDRAM磁盘机磁带机10ns25

3、-40ns60-100ns10-20ms2-20min512B128KB512MB60-228GB512G-2TB18000725.60.230.01400-800250-40080-1333-50.18-0.23字:4-8B块:32B页:0.5-1KB文件:5-512KB后援存储器编译器分配硬件控制操作系统操作系统/用户操作系统/用户第五章并行存储器系统5.1存储器系统的层次结构5.2包含性、一致性和局部性5.2.1包含性5.2.2一致性5.2.3局部性5.3存储器容量的规划5.4虚拟存储器技术5.5交叉访问的存储器5.2包含性、一致性和局部性5.2.1包含性（inclusio

4、n）1.包含性的定义M0M1M2……Mn所有信息项最初存放在最外层Mn，在处理过程中，它的子集复制到Mn-1，同样，Mn-1的子集复制到Mn-2，……如果在Mi中找到一个信息字，那么同一个字的复制品在所有的高层Mi+1，Mi+2，……，Mn中都一定可以找到。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……ba……M1:高速缓存a,b为高速缓存块，32个字节页面AaM2:主存储器页面Bb页面AaM3:磁盘存储器页面Bb

5、段F段G页面AaM4:磁带机后援存储器页面Bb段F段G字单位块单位页单位段单位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Patt

6、erson（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（temporallocality）：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（spatiallocality）：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（sequentiallocality）：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。

7、第五章并行存储器系统5.1存储器系统的层次结构5.2包含性、一致性和局部性5.3存储器容量的规划5.3.1命中率5.3.2有效存取时间5.4虚拟存储器技术5.5交叉访问的存储器5.3存储器容量的规划存储器层次结构的性能是由层次结构的有效存取时间Teff决定的，它依赖于相继层次的命中率和访问频率。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层的命中率hi则是信息项可在Mi中找到的概率