1、3.1 存儲系統(tǒng)的形成與性能存儲系統(tǒng)的形成與性能 馮馮 諾依曼機的改進：諾依曼機的改進：運算器為中心運算器為中心存儲器為中心存儲器為中心目的：目的：存放計算機系統(tǒng)中所需要處理的程序與數(shù)據(jù)存放計算機系統(tǒng)中所需要處理的程序與數(shù)據(jù) 。主存儲器：主存儲器：用以存放正在運行的程序與數(shù)據(jù)用以存放正在運行的程序與數(shù)據(jù) 。輔助存儲器：輔助存儲器：存放等待運行的程序與數(shù)據(jù)。存放等待運行的程序與數(shù)據(jù)。通用寄存器組：通用寄存器組：是存放那些最經常用到的數(shù)據(jù)。是存放那些最經常用到的數(shù)據(jù)。存儲系統(tǒng)：存儲系統(tǒng)：兩個或兩個以上的速度、容量、價格不同的存兩個或兩個以上的速度、容量、價格不同的存儲器采用硬件，軟件或軟、硬件結合

2、的辦法聯(lián)接成一個系儲器采用硬件，軟件或軟、硬件結合的辦法聯(lián)接成一個系統(tǒng)。統(tǒng)。以存儲器為中心的計算機結構以存儲器為中心的計算機結構 主主 存存 緩緩指指 存存令令 器器 緩緩讀存讀存 器器 緩緩寫存寫存 器器 I/O 部部 件件 I/O 部部 件件CPU3.1.1 發(fā)展存貯體系的必要性發(fā)展存貯體系的必要性計算機存儲系統(tǒng)三個基本參數(shù)：計算機存儲系統(tǒng)三個基本參數(shù)：存儲容量存儲容量S：以字節(jié)數(shù)表示，單位為B、KB、MB、GB、TB等。 存儲器速度存儲器速度T：存儲器訪問周期，與命中率有關。 存儲器價格存儲器價格C：表示單位容量的平均價值單位為C/bit或C/KB。性能的基本要求：大容量、高速度、低價格

3、 第一層第二層第三層第四層第五層存儲系統(tǒng)的層次結構存儲系統(tǒng)的層次結構速速 度度 提提 高高容容 量量 增增 加加 通用寄存器通用寄存器M1高速緩沖存儲器高速緩沖存儲器M2 主存儲器主存儲器M3 脫機大容量存儲器脫機大容量存儲器M5 輔助存儲器輔助存儲器M4 每級存儲器的性能參數(shù)可以表示為每級存儲器的性能參數(shù)可以表示為TiTi，SiSi，CiCi。存儲系統(tǒng)的性能可表示為：存儲系統(tǒng)的性能可表示為：TiTi+1TiTi+1；SiSi+1SiCi+1CiCi+1。存貯器容量SM=Wlm。W-存貯體的字長(單位為位或字節(jié)) l-每個存貯體的字數(shù) m-并行工作的存貯體個數(shù)。 存貯器的速度可以用訪問時間TA

4、、存貯周期TM和頻寬(也稱帶寬)Bm來描述。TA 存貯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。TM 連續(xù)啟動一個存貯體所需要的間隔時間，它一般總比TA大。存貯器頻寬Bm:存貯器可提供的數(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.最大頻寬Bm:存貯器連續(xù)訪問時能提供的頻寬。單體的Bm=W/TM。m個存貯體并行工作時可達到的最大頻寬Bm=Wm/TM。實際頻寬往往要低于最大頻寬。 主存系統(tǒng)的結構包括：單體單字存儲器單體多字存儲器多體單字存儲器多體多字存儲器3.1.2 并行主存系統(tǒng)頻寬的分析并行主存系統(tǒng)頻寬的分析 圖 4.1 單體單字存貯器 1、單體單字存儲體 圖4.1是

5、一個字長為W位的單體主存，一次可以訪問一個存貯器字，所以主存最大頻寬Bm=W/TM。假設，此存貯器字長W與CPU所要訪問的字(數(shù)據(jù)字或指令字，簡稱CPU字)的字長W相同， 則CPU從主存獲得信息的速率就為W/TM。我們稱這種主存是單體單字存貯器。 圖 4.2 單體多字(m=4)存貯器 并行訪問存儲器并行訪問存儲器2、單體多字存儲器優(yōu)點：優(yōu)點：簡單、容易。簡單、容易。缺點：缺點：訪問的沖突大。訪問的沖突大。主要沖突：主要沖突： 取指令沖突（條件轉移時）取指令沖突（條件轉移時） 需要的多個操作讀操作數(shù)沖突（數(shù)不一定都存放在同一個存需要的多個操作讀操作數(shù)沖突（數(shù)不一定都存放在同一個存儲字中）儲字中）

6、 寫數(shù)據(jù)沖突（必須湊齊寫數(shù)據(jù)沖突（必須湊齊n個數(shù)才一起寫入存儲器）個數(shù)才一起寫入存儲器） 讀寫沖突（要讀出的一個字和要寫入的一個字處在同一個存讀寫沖突（要讀出的一個字和要寫入的一個字處在同一個存儲字內時，無法在一個存儲周期內完成）。儲字內時，無法在一個存儲周期內完成）。圖 4.3 多體(m=4)交叉存貯器 3、多體單字存儲器圖 4.3 多體(m=4)交叉存貯器 交叉訪問存儲器交叉訪問存儲器模模M主存儲器：主存儲器：分為分為M個存儲體的主存儲器。個存儲體的主存儲器。同時訪問：同時訪問：采取同時啟動，完全并行工作的方式；采取同時啟動，完全并行工作的方式；交叉訪問：交叉訪問：分時啟動，互相錯開一個存

7、儲體存儲周期的分時啟動，互相錯開一個存儲體存儲周期的1/M，交叉進行工作。，交叉進行工作。高位交叉訪問高位交叉訪問 低位部分：體內地址低位部分：體內地址 b=log2n高位部分：存儲體體號高位部分：存儲體體號 a=log2mm: 體數(shù)體數(shù)n：每個體的容量：每個體的容量數(shù)據(jù)總線地址總線 WMDR0 0 1 2 3 n-1MDR1 n n+1 n+2 n+3 2n-1MAR0MAR3MDRm-1n(m-1)n(m-1)+1n(m-1)+2n(m-1)+3 n(m-1)MARm-1譯碼譯碼 a b模塊化的主存儲器通常都是采用高位交叉編址方式構成的。在單任務系統(tǒng)中，采用高位交叉訪問方式的主要目的：用來

8、擴充存儲器容量。在多任務或多用戶系統(tǒng)中，可以把不同的任務分配在不同的存儲器中來提高存儲器的訪問速度。低位交叉訪問低位交叉訪問 低位交叉存儲器結構低位交叉存儲器結構 低位部分：存儲體體號低位部分：存儲體體號 b=log2m高位部分：體內地址高位部分：體內地址 a=log2n W MDR0 0 m 2m 3m (n-1)m MDR1 1 m+1 2m+1 3m+1 (n-1)m+1MAR0MAR3 MDRm-1 m-1 2m-1 3m-1 4m-1 nm-1 MARm-1譯碼譯碼 a b數(shù)據(jù)總線地址總線分時訪問主要目的：提高存儲器的訪問速度。在一個存儲器周期內，n個存儲體必須分時啟動。表 4.1

9、地址的模4低位交叉編址 圖 4.4 4個分體分時啟動的時間關系 并行主存系統(tǒng)：能并行讀出多個cpu字的單體多字，多體單字，多體多字的交叉訪問主存系統(tǒng)統(tǒng)稱為并行主存系統(tǒng)可見：提高模m能提高Bm但并不理想。原因在于：1、總線并聯(lián)負載過重，產生延遲。2、數(shù)據(jù)的順序性不好、轉移指令等影響系統(tǒng)效率轉移指令對頻寬影響的分析：項目：通過一個模型分析“轉移指令”對頻寬的影響目的：說明單純靠提高模m來提高并行主存系統(tǒng)的頻寬Bm是有限的。結論：必須從系統(tǒng)結構上改進，采用存儲體系。內容：m個分體，處理器發(fā)出的是一串地址為A1,A2,Aq,的申請隊列，在每一個主存周期到來之前，這個申請隊列被掃描，并截取從隊頭開始起的

10、A1,A2,.Ak序列作為申請序列，截取原則：沒有兩個或兩個以上的地址處在同一分體中，取滿足條件的最長序列，A1.Ak不一定的順序編制，只要它們之間沒有分體沖突，k是隨機變量，且km. 系統(tǒng)效率取決于k的平均值分析訪問沖突的方法： 設p(k)表示申請序列長度為k的概率密度函數(shù)，其中k=1, 2, ， m。 即p(1)是k=1的概率，p(2)是k=2的概率，p(m)是k=m的概率。 k的平均值用B表示，則 mkkpkB1)( 它實際上就是每個主存周期所能訪問到的平均字數(shù)，正比于主存實際頻寬(只差一個常數(shù)比值TM/W)。p(k)與程序的狀態(tài)密切相關，如果訪存申請隊都是指令的話，那么影響最大的是轉移

11、概率，它定義為給定指令的下條指令地址為非順序地址的概率。 申請隊中如果第一條就是轉移指令且轉移成功，與第一條指令并行讀出的其他m-1條指令就是沒用的，相當于k=1，所以p(1)=(1-)0；k=2的概率自然是第一條沒有轉移(其概率為1-)，第二條是轉移指令且轉移成功的情況，所以，p(2)=(1-p(1)=(1-)1；同理，p(3)=(1-p(1)-p(2)=(1-)2。如此類推，p(k)=(1-)k-1，其中1km。如果前m-1條均不轉移，則不管第m條是否轉移，k都等于m，故p(m)=(1-)m-1。 這樣， 1221)1 ()1)(1()1 (3)1 (21)(mmmkmmkpkB經數(shù)學歸納

12、法化簡可得 10)1 (miiB這是一個等比級數(shù)， 因此 mB)1 (1圖 4.5 m個分體并行存取的B=f()曲線 3.2 中中 斷斷 系系 統(tǒng)統(tǒng) 中斷系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)必不可少的重要組成部分。它對輸入輸出處理、多道程序和分時處理、實時處理。人機聯(lián)系、事故處理、程序的監(jiān)視和跟蹤、目態(tài)程序和操作系統(tǒng)體的聯(lián)系以及多處理機系統(tǒng)中各機的聯(lián)系等方面都起著重要的作用。3.3 中中 斷斷 系系 統(tǒng)統(tǒng)3.3.1 3.3.1 中斷的分類和分級中斷的分類和分級中斷源:引起中斷的各種事件稱為中斷源。中斷分類的目的：對中、 大型多用途機器， 中斷源一般可多達數(shù)十至數(shù)百個。 如果為每個中斷源單獨形成入口，不僅硬件難以實

13、現(xiàn)， 代價也很大，因為不少中斷源的性質比較接近，可以將它們分別歸成幾類。以IBM 370為例，它把中斷分成機器校驗、 管理程序調用、 程序性、 外部、 輸入/輸出和重新啟動 6 類。 前 5 類中斷只發(fā)生在CPU處于運行狀態(tài)時，而重新啟動不論CPU是處于停止狀態(tài)還是處于運行狀態(tài)都可以發(fā)生。 機器校驗中斷告訴程序發(fā)生了設備故障?？捎?64 位機器校驗中斷碼以指明故障原因和嚴重性，更為詳細的中斷原因和故障位置可由機器校驗保存區(qū)的內容提供。這里包含有電源故障、運算電路的誤動作、主存出錯、 通道動作故障、 處理器的各種硬件故障等等。 訪管中斷是在用戶程序需要操作系統(tǒng)介入時，通過執(zhí)行“訪管”指令時發(fā)生的

14、，訪管原因由“訪管指令”中的 8 位碼指明。 程序性中斷是包括指令和數(shù)據(jù)的格式錯、程序執(zhí)行中出現(xiàn)異常(非法指令、 目態(tài)下使用管態(tài)指令、主存訪問方式保護、尋址超過主存容量、 各種溢出、 除數(shù)為“0”、 有效位為 0 等)以及程序的事件記錄、 監(jiān)督程序對事件的檢測引起的中斷等。 外中斷來自機器外部，它包括各種定時器中斷、外部信號中斷及中斷鍵中斷。 輸入/輸出中斷是CPU與I/O設備及通道聯(lián)系的工具，在輸入輸出操作完成、 I/O通道或設備產生故障時發(fā)出。程序性、 外部、 I/O這 3 類中斷的中斷碼均為 16 位。 重新啟動中斷是為操作員或另一臺CPU要啟動一個程序所用。 CPU不能禁止這種中斷。

15、中斷分級的目的：解決多個中斷請求同時發(fā)生時響應次序問題分級原則：對于同一類型其優(yōu)先次序，但通常不由中斷系統(tǒng)的硬件而是由其軟件或通道來管理中斷系統(tǒng)按中斷源的級別高低來響應。通常優(yōu)先級最高的中斷定為一級，其次是二級，再次是三級優(yōu)先級高、低的劃分，不同機器有所差異，一般把機器校驗安排為第一級，程序性和管理程序調用為第二級，外部為第三級，輸入輸出為第四級，重新啟動一般為最低級。IBM370中斷響應的優(yōu)先次序：緊急的機器校驗，管理程序調用和程序性，可抑制的機器校驗，外部，輸入輸出，重新啟動。以上講的是在同時發(fā)生多個不同中斷類的中斷請求時，中斷響應硬件中的排隊器所決定的響應次序。這樣，中斷處理完的次序中斷

16、的響應次序。中斷響應的次序由于是用排隊器硬件實現(xiàn)的，所以響應次序總是由高到低固定死的。為了能根據(jù)需要，由操作系統(tǒng)控制改變實際的中斷處理次序，很多機器都設置了中斷級屏蔽位寄存器硬件，以決定是否讓某級中斷請求進入中斷響應排隊器排隊。只要能進入中斷響應排隊器的中斷請求，總是讓級別高的優(yōu)先得到響應。另外，程序狀態(tài)字中還包含有中斷級屏蔽位字段。只要操作系統(tǒng)對每一類中斷處理程序的現(xiàn)行程序狀態(tài)字中的中斷級屏蔽位設置成不同狀態(tài)，就可以實現(xiàn)所希望的中斷處理次序。假設系統(tǒng)共有4個中斷級，相應地每一級中斷處理程序的現(xiàn)行程序狀態(tài)字中都設有4位中斷級屏蔽位。1對該級的各個中斷請求都開放，允許其進入中斷排隊器排隊0對該級的各個中斷請求都屏蔽，不讓其進入中斷排隊器排隊要想讓各級中斷處理次序和各級中斷響應次序都是1 2 3 4 ，就只需將各級中斷處理程序狀態(tài)