计算机组成原理学习笔记——提高 CPU 访存速度的相关技术

• 用于提高 CPU 访问存储器的速度的技术有：双端口存储器技术和多模块存储器技术，都是一种并行技术，前者时空间并行，后者是时间并行。

一、双端口存储器

• 一般是双端口 RAM，这种 RAM左、右两边都有相互独立的地址线、数据线和读写控制线，允许两个独立的控制器同时异步地访问存储单元；这类存储器在编址时有两种情况：

1、异址编址

• 指的是两个端口使用不同地地址编号，好处就是读写操作不会发生冲突，缺点是同一个芯片由两个地址编号，会造成地址浪费或地址线线数增加一倍。

2、同址编址

• 指的是存储器地两个端口使用同一个地址编号，这样一来两个端口对同一主存操作可能发生如下四种情况：
• 1）两个端口不同时对同一地址单元存取数据。
• 2）两个端口同时对同一地址单元读出数据。
• 3）两个端口同时对同一地址单元写入数据。
• 4）两个端口同时对同一地址单元操作，一个写入数据，另一个读出数据。
• 第 1）和 2）情况不会发生错误，而第三种情况则会出现写入错误；第四种情况会出现读出错误。
  为了解决上述可能出现的数据冲突（存储错误或读出错误），设置一个信号 BUSY，并置为0，由逻辑判断决定暂时关闭一个端口（延时），未被关闭的端口正常访问，被关闭的端口延长一个很短的时间段才能被访问。
  

二、多模块存储器

• 采用多模块存储器也可以提高处理器对存储器的访问速度，常用的有单体多字存储器和多体低位交叉存储器。CPU 的速度比存储器快，若同时从存储器中取出多条指令，就可以充分利用 CPU 资源，提高运行速度，多体交叉存储器就是在这种思想基础上出现的。

1、单体多字存储器

• 这种存储器中只有一个存储体，每个存储单元储存m个字，总线宽度 m 个字，地址必须顺序排列并处于同一个存储单元；在一个存取周期内，从同一地址取出 m条指令并逐条送到 CPU执行。
• 优点：增大了存储器的带宽，提高了存储器的工作速度。
• 缺点：指令和数据在主存内必须连续存放，遇到转移指令或操作数不能连续存放，这种方法效果不明显。

2、多体并行存储器

• 指有多个多体模块组成的存储器；每个模块容量和存取速度一样，每个模块有各自独立的控制电路、地址寄存器和数据寄存器。模块之间既能并行工作也能交叉工作。
• 主要有高位交叉编址和低位交叉编址两种多体并行存储器。

2.1、高位交叉

• 高位地址表示体号，低位地址表示体内地址。
• 这种编址方式下，总是把低位的体内地址送到由高位体号确定的模块内进行译码。访问时，先在同一个模块内访问直到访问完该模块再访问下一个模块，按顺序访问各个模块，不能并行访问，因为模块内的地址是连续的，存取方式仍是串行存取，因此这种编址方式并不能提高存储器的吞吐率。

2.2、低位交叉

• 低位地址作体号，高位地址为体内地址，每个模块按“模m”交叉编址，模块号=单元地址%m，若有 n 个模块，每个模块右 x 个单元，则 0, n, …, (x-1)n 单元位于N0，第 1,n+1,…,(x-1)n+1单元位于N1，依次类推。
• 低位交叉编址下，总是把高位的体内地址送到由低位体号确定的模块内进行译码，程序可以连续存放在相邻的模块中。采用低位交叉编址方式的存储器称为交叉存储器。
• 优点：可在不改变模块存取周期的情况下，采用流水线方式并行存取，提高存储器带宽。
• 在模块字长和数据总线宽度一样的条件下：
• 存储器交叉模块应大于等于
  m=T/r
• m为交叉存取度，T 为模块存取一个字的周期，r总线传送周期。连续存取 m个字所需的时间：
  t1 = T + (m - 1)r
• 顺序方式连续存取 m个字的时间：
  t2 = mT

例题：

• 设存储器容量 32个字，字长64 位，模块数m=4，分别采用顺序方式和交叉方式进行组织；存储周期 T=200ns，数据总线宽度 64 位，总线传输周期 r=50ns，连续读出4个字的情况下，求顺序存储器和交叉存储器各自的带宽。
  解：
  • 顺序存储器和交叉存储器连续读出 4 个字的信息总量都是：
    q = 64 位*4 = 256 位
  • 顺序存储器和交叉存储器连续读出 4 个字各自所需的时间：
    t1 = mT = 4*200ns = 800ns = 8*10E(-7)s
t2 = T + (m - 1)r = 200ns + 3*50ns = 350ns = 35*10E(-8)s
  • 顺序存储器和交叉存储器的带宽分别：
    W1 = q/t1 = 256/(8*10E(-7)) = 32 * 10^7 (b/s)
W2 = q/t2 = 73*10^7(b/s)

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