基于單體多字與多體并行系統(tǒng)優(yōu)化主存結(jié)構(gòu)研究

陳益

【摘 要】主存和CPU之間的速度差距導(dǎo)致了CPU執(zhí)行效率的降低。對主存進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化、采用高效性能存儲芯片、增加存儲器帶寬及構(gòu)建多層次存儲結(jié)構(gòu)在改善二者速度差距上都有積極的作用。相比而言，以單體多字和多體并行的方法對主存結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，能用更小的成本獲得更理想的效果，尤其是多體并行系統(tǒng)的低位交叉方式，對縮小主存和CPU之間速度差距有積極作用。對比得知，從結(jié)構(gòu)上對主存進行調(diào)整，可以在一定程度上縮小主存與CPU之間的速度差距。

【關(guān)鍵詞】存儲芯片;帶寬;主存結(jié)構(gòu)優(yōu)化;單體多字;多體并行

【中圖分類號】G642 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2022）04-0035-03

0 引言

隨著半導(dǎo)體技術(shù)和集成電路技術(shù)的發(fā)展，精簡指令芯片（RISC）技術(shù)的應(yīng)用，主存（或存儲器）運行速度和CPU運行速度的差異日趨增大，造成了計算機主機系統(tǒng)的不均衡發(fā)展[1]。采用高性能的存儲芯片，能讓速度更快、帶寬更大、訪問延遲更小，但對高速器件性能的挖掘存在達到物理極限的問題;主存-Cache結(jié)構(gòu)，在主存和CPU之間放一個小容量的Cache，將CPU常用的信息放在Cache中，整機的速度能得到很大的提高，但Cache的集成度低、功耗大、價格高、容量小，增加了Cache的容量，這必然增大了硬件成本開銷[2]。這些方法對提高訪存速度有一定的作用，但都有各自的局限[3]。本文以調(diào)整主存自身結(jié)構(gòu)為研究對象，通過對主存結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高訪存速度。

1 單體多字系統(tǒng)

現(xiàn)代計算機結(jié)構(gòu)中，最影響機器效率和速度的就是主存。CPU執(zhí)行程序時所需的指令、數(shù)據(jù)均來自主存，運行的結(jié)果保存到主存，如主存運行速度很慢，CPU無論運行速度多快都無法提高整機速度。CPU得不到所需要的指令和數(shù)據(jù)，只能空等，這種現(xiàn)象在計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中稱為“主存墻”，主存墻是影響計算機系統(tǒng)性能的主要因素之一。通過對主存的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化可在一定程度上緩解主存墻現(xiàn)象。

CPU執(zhí)行一條指令，至少要完成取指令和執(zhí)行指令兩個步驟。假設(shè)主機的存儲字長、機器字長、指令字長3者相等，取指令時在存儲器中只能取出一條指令;執(zhí)行指令時在存儲器中取數(shù)據(jù)，一次也只能取出和機器字長等長的數(shù)據(jù)。此時，存儲器和CPU速度存在的差異，可以通過單體多字系統(tǒng)調(diào)整主存結(jié)構(gòu)的方式得以調(diào)整。

單體多字的核心是在單個存儲體中增加存儲器的存儲字長。假如CPU的機器字長是16位，存儲器的存儲字長設(shè)成64位，CPU每次訪問存儲器，可以訪問4個機器字，每個機器字都是一條機器指令或長度為16位的數(shù)據(jù)，CPU一次性把4個值從主存中取出放在數(shù)據(jù)寄存器（MDR）中，下一次直接從MDR中把需要的指令或數(shù)據(jù)取走，這個方法可以增加存儲器的帶寬[4]。

單體多字方式每一個存儲單元包括4個機器字，但是4個機器字存取時是以整體的方式進行的，因此存在一些問題：其一，CPU向存儲器的某存儲單元寫長度為16位的字，它先將字寫入單字長寄存器中，再寫入4個字長的MDR中，最后寫入存儲器中。對16位數(shù)據(jù)寫入的操作，會導(dǎo)致其他48位也被寫入給定的存儲單元中，并且這48位被修改的還可能是錯誤的信息。如果要讓這樣的存儲器完成16位單字長的寫入，需要在存儲器的內(nèi)部增加專門的硬件，使存儲器結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。其二，如果要取的指令或數(shù)據(jù)不是連續(xù)存放在相鄰的地址中，或不是連續(xù)存放在一個存儲字中，用戶一次性取出了4條指令，執(zhí)行完第1條指令后，由（PC）+1的下一條指令，即第2條指令若是跳轉(zhuǎn)指令且跳轉(zhuǎn)的范圍大大超出了4個儲存字，那么所取的4條指令僅第1條有用，其他3條均無用，浪費了資源?；谝陨戏治觯枰獙误w多字方式做相應(yīng)的改進。

2 多體并行系統(tǒng)

多體并行的基本思想是在不提高存儲器效率、不擴展數(shù)據(jù)通路位數(shù)的前提下，通過對存儲芯片的組織布局，提高CPU單位時間內(nèi)訪問的數(shù)據(jù)量，以此緩解CPU與主存之間的速度差異問題。多體并行是一種采用多體模塊組成的存儲器系統(tǒng)，分為高位交叉和低位交叉兩種方式。以下對兩種交叉方式的介紹，均以4個存儲體為例，編號從M0～M3。

2.1 高位交叉方式

所謂高位交叉，是指給存儲體構(gòu)成的存儲器編址時，從M0存儲體開始，依次為M0中每個存儲單元編址，直到最后一個存儲單元為止，然后以同樣的方式為存儲體M1、M2、M3編址，直到為存儲體M3的最后一個存儲單元編址完為止（也稱為“順序交叉”）。

2.1.1 高位交叉執(zhí)行過程

分析4個存儲體的執(zhí)行過程，假定M0～M3的每個存儲體包括16個存儲單元，地址分配空間為00 0000-11 1111，前面的兩位00-11，這是存儲體的編號，選中M0～M3中的任意一個存儲體，后面的4位0000-1111是體內(nèi)地址，經(jīng)地址譯碼后選中0～15號的任意一個存儲單元。CPU給出一個地址，地址的前兩位作為存儲體的體號，完成對存儲體的尋址，選中M0～M3的任意一個存儲體;后4位是體內(nèi)地址，經(jīng)地址譯碼后選定體內(nèi)的某一個存儲單元。如果CPU給出的6位地址中前2位是00，即選中存儲體M0，對后4位譯碼得到存儲體M0內(nèi)部的一個具體存儲單元。假如每一個存儲體都有自己的控制電路（MAR、MDR、地址譯碼器等），能夠?qū)ψx寫信號進行鎖存，4個存儲體就可以并行工作。

此方法將多個存儲體進行了獨立，并且每個存儲體都有自己獨立的控制電路用于完成各種操作，4個存儲體有并行工作的基礎(chǔ)。執(zhí)行過程如圖1所示[5]。

2.1.2 高位交叉應(yīng)用分析

在4個存儲體的高位交叉方式中，高2位選中存儲體，低4位作為體內(nèi)地址尋找指定存儲單元的過程，其實質(zhì)是對存儲器容量進行擴展，尤其是對地址范圍（字）的擴展。高位交叉的方式雖然具備了并行工作的基礎(chǔ)，但是對程序或數(shù)據(jù)存取的特征分析不難發(fā)現(xiàn)，存在各個存儲體工作強度不一致的狀況。程序在計算機中是按順序存儲的，用戶使用一個程序，如果第1條指令存放在M0的第0號存儲單元，下一條指令存在第1號存儲單元……第16條指令存在第15號存儲單元，指令按序執(zhí)行，執(zhí)行程序的過程中，M0這個存儲體不停地被CPU訪問，工作繁忙，其他的3個存儲體是空閑的。

高位交叉執(zhí)行過程出現(xiàn)了并行的雛形，但以程序或數(shù)據(jù)組織的特征進行分析，相鄰地址的數(shù)據(jù)處于同一存儲體、一個地址寄存器，多模塊串行（局部性原理）性能無提升，但為擴充容量提供了方便。此方式容易造成某個存儲體頻繁地被CPU訪問，其他的存儲體卻是空閑的，因此必須想辦法解決高位交叉中存在的問題。

2.2 低位交叉方式

高位交叉方式是對一個存儲體進行編址完后，再對另一個存儲體進行編址，屬于縱向編址方式，存在的問題是每個存儲體的工作不均等?，F(xiàn)在改變編碼方式，進行橫向編址。

2.2.1 低位交叉地址編址

以存儲體M0～M3為例，M0的首址是0000 00，M1的首址是0000 01，M2的首址是0000 10，M3的首址是0000 11，按照這種順序給每個存儲體的每個存儲單元進行編址。地址特征后2位對M0來說是00，M1是01，M2是10，M3是11，用來選中某個存儲體，前4位是存儲體的體內(nèi)地址，經(jīng)譯碼后選擇具體的存儲單元。CPU任意給出一個地址，分為低2位的體號地址和高4位的體內(nèi)地址2個部分。低位地址譯碼后選定存儲體，高位地址譯碼后選定存儲體內(nèi)的某個存儲單元。如果4個存儲體完全獨立，獨立地讀寫控制電路，能進行地址、數(shù)據(jù)、控制信號的鎖存，能并行工作，采用輪流的方式對每個存儲體編址。這便是低位交叉方式的編址全過程[6]。

2.2.2 低位交叉執(zhí)行過程

低位交叉執(zhí)行一個程序的過程為代碼在存儲體中按照地址進行順序存儲，第1條指令存放在M0的第一個存儲單元，第2條存放在M1的第一個存儲單元，第3條存放在M2的第一個存儲單元，第4條存放在M3的第一個存儲單元，第5條存放在M0的第二個存儲單元，以此類推直到最后一條存放在M3的最后一個存儲單元為止。CPU在取指令時，在一個訪存周期的開始給出訪問的地址，包括體號和體內(nèi)地址，這個信號假如訪問的是M0，它將內(nèi)部地址和讀寫命令進行鎖存，然后完成讀操作，之后CPU在同一個主存周期中再次傳輸?shù)刂?、控制命令給M1，輪流對M0～M3進行訪問，如果M0準備好數(shù)據(jù)，在一個存取周期要結(jié)束的時候向CPU進行數(shù)據(jù)傳送。低位交叉方式從總線通信控制角度看，屬于分離式方式，提高了主存的帶寬。低位交叉編址的多體存儲器如圖2所示。

低位交叉方式數(shù)據(jù)組織特點：相鄰地址處于不同存儲體中，每個存儲體均需地址寄存器多模塊并行（局部性原理），性能得以提升，也能方便地擴充容量。

2.2.3 低位交叉特點及應(yīng)用

低位交叉方式的優(yōu)點是可以在不改變存取周期的前提下，增加存儲器的帶寬。在單體訪問周期中，將一個訪問周期分為4段，第1段啟動M0，對M0讀寫操作，之后在第2個時間啟動M1，對M1存取操作，在第3個時間啟動M2，在第4個時間啟動M3，相當于用流水的方式訪問不同的存儲體，在一個存取周期內(nèi)訪問了4個存儲字（如圖3所示）。

假設(shè)四體低位交叉的存儲器存取周期為T，地址、數(shù)據(jù)、控制信號在總線上進行傳輸，總線的傳輸周期為τ，為實現(xiàn)流水方式的存取，應(yīng)滿足T=4。實際上是把一個完整的訪問時間分成4段，每一段的長度正好是總線的傳輸周期（如圖4所示）。

在T時間啟動對M0的存取操作，經(jīng)過一段時間后（1/4T），啟動對M1的存取操作，再經(jīng)過后啟動對M2的存取操作。一個存取周期結(jié)束，M0會給出存或取的一個結(jié)果完成存取操作，再經(jīng)過一段時間后，M1也會完成存取操作，直到M3為止。如果用戶需要連續(xù)讀取4個存儲字需要的時間計算過程為第1個字需要T時間，第1個字結(jié)束后，每經(jīng)過一個總線傳輸周期會完成一個訪問（讀?。┎僮鱗7]。

以上為單體多字、多體并行方式提高存儲器速度的處理過程。多體并行中的高位交叉更像是對存儲器容量進行擴展，低位交叉是真正實現(xiàn)了存儲器帶寬或訪問速度的提高。

3 高性能存儲芯片

為進一步提高主存的性能，增強主存結(jié)構(gòu)功能，可以采用高性能的存儲芯片。同步動態(tài)隨機存取內(nèi)存（Synchro-

nous Dynamic Random-access Memory，SDRAM）就是一種高性能的存儲芯片，SDRAM采用同步DRAM方式通信，要求存儲器和CPU之間在給定的時間點必須開始或完成給定的操作，存儲器的速度可以和CPU的速度保持一致，CPU不需要等待，SDRAM要求存儲器的速度非常快[8]。SDRAM在計算機中被廣泛使用，從起初的SDRAM到后來的DDR1，接著DDR2和DDR3進入市場，2015年DDR4開始進入市場。

CDRAM是帶Cache的DRAM。工作過程為CPU給出要訪問存儲器的地址，存儲器先把地址和上一次訪問的行地址進行比較，若相等，說明這行已經(jīng)被寫入Cache中，用列選信號直接輸入Cache里面選中指定的存儲單元。若不相等，將這行寫入Cache中，以備下一次使用。CDRAM中的第一個數(shù)據(jù)是從主存開始的，速度較慢，在從主存中讀取第一個數(shù)據(jù)時，根據(jù)程序訪問的局部性原理，會將第一個數(shù)據(jù)連同它所在的數(shù)據(jù)塊一起送入緩沖存儲器Cache中，方便CPU下次直接從Cache讀取想要的數(shù)據(jù)，后續(xù)數(shù)據(jù)的讀取速度非?？臁?/p>

RDRAM主要解決存儲器帶寬問題。RDRAM的數(shù)據(jù)存儲是16位，遠低于DDR和SDRAM的64位，但在頻率方面遠遠高于二者，可以達到400 MHz或更高。RDRAM在一個時鐘周期內(nèi)傳輸兩次數(shù)據(jù)，能夠在時鐘的上升期和下降期各傳輸一次數(shù)據(jù)，主存帶寬能達到1.6 GBps。

4 結(jié)束語

本文以尋找縮小主存和CPU速度差距的方法為訖點，重點以調(diào)整主存結(jié)構(gòu)的方式為依托，對單體多字系統(tǒng)、多體并行系統(tǒng)和高性能存儲芯片3種方式進行分析，研究發(fā)現(xiàn)，多體并行系統(tǒng)中的低位交叉方式是最能有效縮小存儲器和CPU速度差異，提高存儲器帶寬，使計算機主機系統(tǒng)均衡發(fā)展的方法。

參 考 文 獻

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