计算机组成与设计 硬件软件接口 Risc-v 版

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第一章 计算机抽象及相关技术

1.1 引言

1.1.1 传统的计算机应用分类及其特点

个人计算机(Personal Computer, PC) 通用，各种软件;受成本、性能权衡

服务器(Sever Computer) 基于网络;高容量、性能、可靠性;范围从小型服务器到建筑规模;用于为多个用户并行运行大型程序的计算机

超级计算机(Supercomputer) 高端科学和工程计算;最高的能力，但代表了整个计算机市场的一小部分

嵌入式计算机(Embedded Computer) 隐藏为系统的组件;严格的功率、性能、成本约束

1.1.2 欢迎来到后 PC 时代

个人移动设备(Personal Mobile Device, PMD) 电池驱动;连接到互联网;数百美元的;智能手机，平板电脑，电子眼镜

云计算(Cloud Computing) 仓库规模计算机(WSC);软件即服务(SaaS);软件的部分运行在PMD上，部分运行在云;Amazon和谷歌

1.1.3 下面将介绍

1. 程序如何被翻译成机器语言 (以及硬件如何执行它们)
2. 硬件/软件接口
3. 什么决定程序性能 (和如何改进)
4. 硬件设计人员如何提高性能
5. 什么是并行处理

1.2 计算机体系结构中的 8 个伟大思想

面向摩尔定律的设计、使用抽象简化设计、加速经常性事件、通过并行提高性能、通过流水线提高性能、通过预测调高性能、存储层次、通过冗余提高可靠性

1.3 程序表象之下

1.4 箱盖后的硬件

一个典型的计算机包括 控制通路(Control)、算术逻辑单元(Arithmetic Logical Unit, ALU)、内存(Memory)、输入/输出(I/O) 五个部分

1.4.1 显示器

1.4.2 触摸屏

电阻和电容式：大多数平板电脑，智能手机使用电容式；电容式允许同时多次触摸 (取代键盘和鼠标)

1.4.3 打开机箱

CPU之中 数据通路(Datapath)：对数据执行操作 控制(Control)：序列数据路径，内存，…缓存内存(Cache Memory) 小快速SRAM(静态随机访问存储器 Static Random Access Memory)内存，用于立即访问数据

1.4.4 数据安全

易失性主存：在断电时丢失指令和数据。非易失性次存：磁盘、闪存、光盘(CDROM，DVD)

1.4.5 与其他计算机通信

1.5 处理器和存储制造技术

用以下三个公式来计算晶片价格
每 晶 片 的 价 格 = 每 晶 圆 的 价 格 每 晶 圆 的 晶 片 数 × 良 率 每晶片的价格=\dfrac{每晶圆的价格}{每晶圆的晶片数\times 良率} 每晶片的价格=每晶圆的晶片数×良率每晶圆的价格​
每 晶 圆 的 晶 片 数 ≈ 晶 圆 面 积 晶 片 面 积 每晶圆的晶片数\approx \dfrac{晶圆面积}{晶片面积} 每晶圆的晶片数≈晶片面积晶圆面积​ 工 艺 良 率 = 1 ( 1 + 单 位 面 积 的 缺 陷 数 × 芯 片 面 积 2 ) 2 工艺良率=\dfrac{1}{(1+\dfrac{单位面积的缺陷数\times 芯片面积}{2})^2} 工艺良率=(1+2单位面积的缺陷数×芯片面积​)21​

1.6 性能

1.6.1 性能的定义

我们强调
性 能 X = 1 执 行 时 间 X 性 能 Y = 1 执 行 时 间 Y 性能_X=\dfrac{1}{执行时间_X}\qquad性能_Y=\dfrac{1}{执行时间_Y} 性能X​=执行时间X​1​性能Y​=执行时间Y​1​
若 有 性 能 X 性 能 Y = 执 行 时 间 Y 执 行 时 间 X = n 称 X 的 执 行 速 度 是 Y 的 n 倍 若有\quad \dfrac{性能_X}{性能_Y}=\dfrac{执行时间_Y}{执行时间_X}=n \quad 称 X 的执行速度是 Y 的 n 倍 若有性能Y​性能X​​=执行时间X​执行时间Y​​=n称X的执行速度是Y的n倍

1.6.2 性能的度量

运行时间：总响应时间，包括所有方面。处理，I/O，操作系统开销，空闲时间。决定系统性能。

CPU 时间：不同程序影响不同的CPU和系统性能

1.6.3 CPU 性能及其度量因素

程 序 的 C P U 执 行 时 间 = 程 序 的 C P U 时 钟 周 期 数 时 钟 频 率 = 程 序 的 C P U 时 钟 周 期 数 × 时 钟 周 期 时 间 程序的\mathrm{CPU} 执行时间=\dfrac{程序的\mathrm{CPU}时钟周期数}{时钟频率}=程序的\mathrm{CPU}时钟周期数\times 时钟周期时间 程序的CPU执行时间=时钟频率程序的CPU时钟周期数​=程序的CPU时钟周期数×时钟周期时间

1.6.4 指令性能

C P U 时 钟 周 期 数 = 指 令 数 × C P I \mathrm{CPU}时钟周期数=指令数\times \mathrm{CPI} CPU时钟周期数=指令数×CPI

1.6.5 经典的 CPU 性能公式

C P U 时 钟 周 期 数 = ∑ i = 1 n ( C P I i × 指 令 数 i ) 平 均 C P I = ∑ i = 1 n ( C P I i × 指 令 数 i 总 指 令 数 ) \mathrm{CPU}时钟周期数=\sum_{i=1}^n (\mathrm{CPI}_i\times 指令数_i) \\平均\mathrm{CPI}=\sum_{i=1}^n(\mathrm{CPI}_i\times\dfrac{指令数_i}{总指令数}) CPU时钟周期数=i=1∑n​(CPIi​×指令数i​)平均CPI=i=1∑n​(CPIi​×总指令数指令数i​​)

1.7 功耗墙

功 耗 ∝ 1 2 × 负 载 电 容 × 电 压 2 × 开 关 频 率 功耗\propto \dfrac{1}{2}\times 负载电容 \times 电压^2 \times 开关频率 功耗∝21​×负载电容×电压2×开关频率

1.8 沧海巨变：从单处理器向多处理器转变

1.9 评测性能

1.10 谬误与陷阱

Amdahl 定律
改 进 后 的 执 行 时 间 = 受 改 进 影 响 的 执 行 时 间 改 进 量 + 不 受 影 响 的 执 行 时 间 改进后的执行时间=\dfrac{受改进影响的执行时间}{改进量}+不受影响的执行时间 改进后的执行时间=改进量受改进影响的执行时间​+不受影响的执行时间
MIPS(每秒百万条指令数 Million Instructions Per Second)：CPU 每秒执行几百万条指令

第二章 指令：计算机的语言

2.1 引言

Risc-v 指令系统(Instruction Set) 使用大端法存储数据，不要求字地址对齐

寄存器类型。64位-双字；32位-字

• x0：定值为0
• x1：返回地址
• x2：栈指针
• x3：全局指针
• x4：线程指针
• x5-x7，x28-x31：临时值
• x8：帧指针
• x9，x18-x27：过程调用保存
• x10-x11：函数参数与返回值
• x12-x17：函数参数

2.2 计算机硬件的操作

设计原则1：简单源于规整

2.3 计算机硬件的操作数

设计原则2：更少则更快

寄存器操作数：x0-31（00000-11111）

存储器操作数：imm(x?)

立即数操作数：addi x22,x22,4

2.4 无符号数和有符号数

2.5 计算机的指令表示

设计原则3：优秀的设计需要适当的折中

R-型指令

R-型指令包含：所有的不含立即数的算术逻辑运算指令

I-型指令

I-型指令包含：所有的含立即数的算术逻辑运算指令，所有的 load 指令，jalr指令

S-型指令

S-型指令包含：所有的 store 指令

2.6 逻辑操作

所有含有立即数的移位操作只需要少量的立即数位数，它们也是I-型指令

2.7 用于决策的指令

SB-型指令

SB-型指令包含：所有的条件分支指令

注意：SB-型指令没有第 0 位立即数，这意味着第 0 位缺省为 0 。只能跳转到偶数的位置。

条件分支指令采用 PC 相对寻址，跳转到 P C + i m m × 2 \mathrm{PC}+\mathrm{imm}\times 2 PC+imm×2

可以实现 循环 switch/case语句

2.8 计算机对于过程的支持

UJ-型指令

UJ-型指令包含：jal 指令

例 jal x1,L1

采用 PC 相对寻址，并且将返回地址 PC+4 赋值给 x1

另例 jalr x0,0(x1)

跳转到 0+x1 的位置，此处 x0 = 0 ，效果是丢弃返回地址

2.8.1 使用更多寄存器

2.8.2 嵌套过程

2.8.3 在栈中为新数据分配空间

2.8.4 在堆中为新数据分配空间

2.9 人机交互

我们分析一个例子

void strcpy (char x[], char y[])
{
    size_t i;
    i = 0;
    while ((x[i] = y[i]) != '/0') /* copy & test byte*/
        i += 1
}

strcpy:
	addi sp,sp,-8 	// adjust stack for 1 doubleword
	sd x19,0(sp) 	// push x19
	add x19,x0,x0 	// i=0
L1: add x5,x19,x11 	// x5 = addr of y[i]
	lbu x6,0(x5) 	// x6 = y[i]
	add x7,x19,x10 	// x7 = addr of x[i]
	sb x6,0(x7)	 	// x[i] = y[i]
	beq x6,x0,L2 	// if y[i] == 0 then exit
	addi x19,x19, 1 // i = i + 1
	jal x0,L1 		// next iteration of loop
L2: ld x19,0(sp) 	// restore saved x19
	addi sp,sp,8 	// pop 1 doubleword from stack
	jalr x0,0(x1) 	// and return

2.10 对大立即数的 Risc-v 编址和寻址

2.10.1 大立即数

U-型指令

U-型指令包括 lui 指令 auipc 指令

U 型指令用来设置寄存器高位

2.11 指令与并行性：同步

在并行中避免数据竞争：两个处理器共享的内存。P1写，然后P2读取。数据竞争如果P1和P2不同步

需要使用原子操作，如下

保留加载：lr.d rd,(rs1) 从地址 rs1 加载，(rs1) -> rd

条件存储：sc.d rd,rs2,(rs1) rs2->(rs1) 存储，成功则设置 rd=0，失败则 rd=1。成功条件：内存值在上一次 lr.d 之后未更改。

可以通过该方案来对并行进程进行锁操作

		addi x12,x0,1 		// copy locked value
again: 	lr.d x10,(x20) 		// read lock
		bne x10,x0,again 	// check if it is 0 yet
		sc.d x11,x12,(x20) 	// attempt to store
		bne x11,x0,again 	// branch if fails
Unlock:
		sd x0,0(x20) 		// free lock

2.12 翻译并启动程序

第三章 计算机的算术运算

3.1 引言

本章包含，加减法，乘法，浮点运算，运算器

3.2 加法和减法

3.3 乘法

3.3.1 串行版的乘法运算及其硬件实现

3.3.2 带符号的乘法

3.3.3 快速乘法

3.4 除法

3.5 浮点运算

3.5.1 浮点表示

IEEE 浮点标准用 V = ( − 1 ) s × M × 2 E V=(-1)^s\times M\times 2^E V=(−1)s×M×2E 的形式来表示一个数（s 符号，M 尾数，E 阶码）

有三种对应情况

1. 规格化的值

   最普遍的情况，当 exp 位既不全为 0，也不全为 1 时。这种情况下：

   阶码的值 E = e − B i a s E=e-Bias E=e−Bias 其中 B i a s = 2 k − 1 − 1 Bias = 2^{k-1}-1 Bias=2k−1−1，在单精度中对应为 127，双精度对应为 1023。最终阶码的取值范围为 − 126 ∼ + 127 -126\sim+127 −126∼+127（单精度）， − 1022 ∼ + 1023 -1022\sim+1023 −1022∼+1023

   尾数值为 M = 1 + f M=1+f M=1+f 其中 f = 0. f n − 1 … f 1 f 0 f=0.f_{n-1}\dots f_1f_0 f=0.fn−1​…f1​f0​ ，尾数的取值范围是 1 ≤ M < 2 1\le M<2 1≤M<2

2. 非规格化的值

   当阶码域全为 0 时，这种情况下，阶码值是 E = 1 − B i a s E=1-Bias E=1−Bias ，尾数值是 M = f M=f M=f

3. 特殊值

   当阶码域全为 1 时，当小数域全为 0，表示无穷，当小数域非 0 时，表示 “NaN”

3.5.2 浮点加法

所以，浮点加法需要先将位数对齐高次，相加后在恢复规范化表示。

• 第一步 将指数较小的数的小数点和指数较大的小数点对齐
• 第二步 将两个数的有效数位相加
• 第三步 调整结果
• 第四步 舍入

第四章 处理器

4.1 引言

本章介绍，实现单周期处理器和五级流水线处理器

4.1.1 一种基本的 Risc-v 实现

本章的例子将实现 ld sd add sub and or beq 指令

同时，基于最后的设计图来进行解析。

组合逻辑单元：一旦输入改变，输出立即改变，例如 ALU 数据选择器，Control

时序逻辑单元：采用时钟同步方法，如 PC Reg Mem

4.3 建立数据通路

对每一个指令进行拆分，标记使用的组合逻辑单元和时序逻辑单元。

4.4 一个简单的实现方案

本节讨论控制通路

4.5 流水线概述

Risc-v 指令执行：

1. 从存储器中取出指令(IF)
2. 读寄存器并译码指令(ID)
3. 执行操作或计算地址(EX)
4. 访问数据存储器中的操作数（如有必要）(MEM)
5. 将结果写入寄存器（如有必要）(WB)

例：

有一个单周期处理器，采用上述五个执行阶段，若其五个接待执行分别需要 200，100，200，200，100ps 则总的时钟周期是 800ps

而对于同样配置的五级流水线处理器，则需要 200*5 = 1000ps 来执行单个指令。但是对于多个指令，流水线处理器通过提高指令吞吐率来提高性能，在理想的流水线处理器上，指令执行时间为
指 令 执 行 时 间 流 水 线 = 指 令 执 行 时 间 非 流 水 线 流 水 线 级 数 指令执行时间_{流水线}=\dfrac{指令执行时间_{非流水线}}{流水线级数} 指令执行时间流水线​=流水线级数指令执行时间非流水线​​

4.5.1 面向流水线的指令系统设计

4.5.2 流水线冒险

结构冒险：由于缺乏硬件支持而导致指令不能在预定的时间周期内执行的情况

例如，若分支跳转计算使用主 ALU 来计算，会导致结构冒险。若 指令存储器 和 数据存储器 放在一起，会导致结构冒险

数据冒险：因无法提供指令执行所需数据而导致指令不能在预期的时钟内执行

例如

add x19,x0,x1
sub x2,x19,x3

该指令中 sub 使用了 add 中产生的结果，因而导致 sub 在 ID 阶段无法取到正确的值（此时 add 处于EX 阶段）

使用三种方式来解决数据冒险：

流水线停顿：也称为气泡，通过停顿指令执行来确保 ID 阶段取到正确的值（当 WB 与 ID 在同一个周期执行，总是先写入再读取）

前递或旁路：通过提前从内部缓冲中得到数据，而不是等到写回阶段

当数据冒险是因为 load 指令产生时，我们需要同时使用前递与流水线停顿措施

编译器预处理：通过重排代码顺序来避免数据冒险

控制冒险：也称为分支冒险，由于取到的指令并不是所需要的，或者地址的流向不是流水线所预期的，导致正确的指令无法在正确的时钟周期内完成。介绍两种解决方案。

阻塞方法：遇到条件分支指令就停顿以避免控制冒险

分支预测：预测分支的结果并沿预测方向执行。分为动态预测与静态预测。

4.6 流水线数据通路和控制

和单周期处理器一样，同样直接给出完整通路，在后面补充。流水线处理器比较复杂，部分结构会在后面更详细地给出。

为了保留在指令执行过程中的指令的值，需要把从指令存储器中读取的数据保存在寄存器中，如 IF/ID、ID/EX、EX/MEM、MEM/WB

分析全部五个步骤

1. 取指过程：从PC寄存器读出地址，在指令存储器中取出，写入IF/ID，PC+4，为下一指令做准备，同时需要将 PC 写入 IF/ID 以备用
2. 指令译码和读寄存器堆：从 IF/ID 中取出数据，读寄存器堆，取出值写入 ID/EX（包含PC） ，译码生成控制信号写入 ID/EX
3. 执行或地址计算：从 ID/EX 中读出数据，进行立即数扩展与ALU计算将数据写入 EX/MEM
4. 存储器访问：从EX/MEM 中读出数据，按控制信号写入存储器，数据写入 MEM/WB
5. 写回：从 MEM/WB 中读出数据，写入寄存器组

上述过程不包含冒险检测与处理，可以用如下数据通路表示

4.6.1 流水线的图形化表示

在分析过程中，我们常使用如下的多周期流水线图来进行图形化表示

4.6.2 流水线控制

4.7 数据冒险：前递与停顿

对例子

sub x2, x1,x3
and x12,x2,x5
or x13,x6,x2
add x14,x2,x2
sd x15,100(x2)

通过以下多周期流水线图分析

要避免冒险，就要实现如红线所表示的旁路与前递

为此，我们需要设置 Forwarding unit 该控制单元的输入有在 MEM 阶段与 WB 阶段的指令的目的寄存器：EX/MEM.RegisterRd 与 MEM/WB.RegisterRd。在 EX 阶段的寄存器地址 ID/EX.RegisterRs1 与 ID/EX.RegisterRs2。在 MEM 阶段与 WB 阶段的指令的寄存器写使能 EX/MEM.RegWrite 与 MEM/WB.RegWrite。输出有两个 ALU 操作数的选择信号 ForwardA 与 ForwardB 并基于以下原则进行设置

**EX 冒险 ** 这种情况下，ALU操作数来自上一个 EX 阶段的结果，即当前的 MEM 阶段

#define
fromMEM 10;

if	  (EX/MEM.RegWrite 
   && (EX/MEM.RegisterRd != 0) 
   && (EX/MEM.RegisterRd == ID/EX.RegisterRs1) ForwardA = fromMEM;
if	  (EX/MEM.RegWrite 
   && (EX/MEM.RegisterRd != 0) 
   && (EX/MEM.RegisterRd == ID/EX.RegisterRs2) ForwardB = fromMEM;

MEM 冒险 这种情况下，ALU操作数来自 MEM 或者上上个 EX 阶段的结果，即当前的 WB 阶段

#define
fromWB 01;

if	  (MEM/WB.RegWrite 
   && (MEM/WB.RegisterRd != 0) 
   &&!(EX/MEM.RegWrite && (EX/MEM.RegisterRd != 0) && (EX/MEM.RegisterRd == ID/EX.RegisterRs1))
   && (MEM/WB.RegisterRd == ID/EX.RegisterRs1) ForwardA = fromWB;
if	  (MEM/WB.RegWrite 
   && (MEM/WB.RegisterRd != 0) 
   &&!(EX/MEM.RegWrite && (EX/MEM.RegisterRd != 0) && (EX/MEM.RegisterRd == ID/EX.RegisterRs2))
   && (MEM/WB.RegisterRd == ID/EX.RegisterRs2) ForwardB = fromWB;

注意 MEM 冒险 要先满足不符合 EX 冒险

因 load 引起的数据冒险的停顿

对下面的例子，上述的解决冒险的方法不再适用。为此，我们需要在 and 处进行停顿一个周期。

为满足停顿，我们需要设计 Hazard detection unit 该控制单元的输入有 当前 EX 阶段的内存读使能 ID/EX.MemRead 。当前 EX 阶段的目的寄存器 ID/EX.RegisterRd 。当前 ID 阶段的 寄存器地址 IF/ID.RegisterRs1 与 IF/ID.RegisterRs2 输出有 PC 寄存器写使能 PCWrite，IF/ID 寄存器写使能 IF/IDWrite 控制信号写使能 ControlMux

if   (ID/EX.MemRead &&
	((ID/EX.RegisterRd==IF/ID.RegisterRs1)||
     (ID/EX.RegisterRd==IF/ID.RegisterRs2)))
    stall the pipeline

上面，通过禁止 PC 改变，IF/ID 改变，将当前 ID 阶段的控制信号置零，就可以使流水线停顿一个周期。

对于上述例子进行分析：

1. 在第三个周期的时候，ld 进行到 EX 阶段(ld的目的寄存器信号储存在 ID/EX 中)，同时 add 在 ID 阶段，此时满足 ld 的目的寄存器与 add 的操作数寄存器冲突，冒险控制单元发出控制信号，停止 PC+4（此时 PC 应当在 or 指令的位置，or指令执行到 IF 阶段），将当前的add 指令的控制信号置零，不让 IF/ID 写入（此时 IF/ID 中即将写入 or 的数据而未写入，仍然保存 add 的数据）
2. 继续加载流水线到第四周期。由于add 的控制信号置零，本该出现在 EX 阶段的 add 指令无效，变为 nop。ID 阶段读 IF/ID 得到 add 的数据， add 进行 ID 阶段。PC现在可写，读 PC 得到 or 的地址，or 进行 IF 阶段
3. 继续加载流水线到第五周期。此时 add 到 EX 阶段，通过 MEM 前递，add 得到 ld 阶段从内存读到的值并进行计算。

4.8 控制冒险

分支代价：

通过设置控制信号为 0 来将分支失败的指令无效化（设置 ID/EX,EX/MEM 寄存器中的控制信号以及 IF/ID 的写使能）

4.8.1 假设分支不发生

4.8.2 缩短分支延迟

在 ID 阶段就进行分支检测，此时只需要对 IF/ID 进行处理即可

4.8.3 动态分支预测

一个 2 位预测机制的状态转换器

例如，我们设 11，10 表示发生跳转，01，00 表示不发生跳转。当在一个循环中，初始值为 00 不发生跳转而跳转了，将值 +1 = 01，之后又不发生跳转而跳转了，+1 = 10，发生跳转而跳转， +1 = 11，之后的每一次都跳转，而最后一次预测失败，末尾值为 10。总共出现3次预测失败。

4.9 例外

Risc-v 中的例外

系统重启，I/O 设备请求，用户程序进行操作系统调用，未定义指令，硬件故障

4.9.1 Risc-v 中如何处理例外

增加两个额外的处理器

• SEPC：64 为寄存器，用来保存引起例外的地址
• SCAUSE：用来记录例外原因的寄存器

4.9.2 流水线实现中的例外

一般的例外处理程序地址为 1c090000

出现例外时，停止所有后续指令的执行，进入例外处理程序

4.10 指令间的并行性

指令级并行(ILP)

1. 通过将提高流水线的级数来提高吞吐量，让更多指令重叠进行
2. 使用多发射技术：一个时钟周期内可以发射多条指令
3. 静态多发射：由编译器进行预处理，完成发射相关判断
4. 动态多发射：在动态执行过程中由硬件完成发射相关判断

需要解决的问题：

1. 将指令打包并放入发射槽，判断本周期发射多少指令？发射哪些指令？
2. 处理数据和控制冒险。

4.10.1 推测的概念

4.10.2 静态多发射

4.10.3 动态多发射处理器

第五章 大而快：层次化存储

5.1 引言

在本章中，我们将基于下图介绍存储层次结构。观察如何基于局部性原理（空间局部性、时间局部性）来设计更加高效的存储结构

上图中，我们将存储器由上至下称为 高速缓冲存储器(cache) 主存(memory) 磁盘(disk)

我们称处理器所需数据在本层找到为命中反之称为缺失

提高命中率，降低缺失率时设计存储器的一大目的

5.2 存储技术

5.2.1 SRAM 存储技术

SRAM(静态随机存储器) 存储是一种存储阵列结构的简单集成电路。使用单个 Moss 管的导通与截止来表示数据，一旦断电，数据就会丢失

5.2.2 DRAM 存储技术

DRAM(动态随机存储器) 使用电容保存电荷的方式存储数据，每个单元仅有一个晶体管，密度更高。但也不能长期保存数据。

SDRAM(同步DRAM) 进行突发传输时无需指定额外地址位。

现代 DRAM 使用 bank 的方式来组织结构。根据地址的最低位来决定读 1 个、2 个、4 个存储单元

5.2.3 闪存

闪存是一种电可擦除的可编程只读存储器。

大多数闪存产品都包括一个控制器，用来将发生多次写的块重新映射到较少背写的块，从而使得写操作尽量分散。该技术被称为耗损均衡

5.2.4 磁盘

每个磁盘表面被分为若干的同心圆，称为磁道。每个盘面通常有数万条磁道。每条磁道依次被划分为上千个保存信息的扇区

对磁盘的访问：

1. 将磁头定位在正确的磁道上方。称为寻道
2. 等待所需扇区旋转到读写磁头下。这段时间被称为旋转延时
3. 传输数据块。时间称为传输时间

上述参数中，寻道时间和传输时间通常由磁盘与数据决定。平均旋转延时通常假设为旋转半圈的时间。

5.3 cache 基础

memory 的 地址表示

从高位到低位分别为 块地址 以及 块内地址（块内地址位数取决于块的大小）

直接映射 cache

使用如下方式来将主存放入块中。
( 块 地 址 ) m o d ( c a c h e 中 数 据 块 数 量 ) (块地址)\mathrm{mod}(\mathrm{cache} 中数据块数量) (块地址)mod(cache中数据块数量)

在索引过程中，通常需要在 cache 中添加一组标签（标签位数为内存块地址位数-cache 块地址位数，如上图中的内存高两位）

另外，为了保证块内数据有效，需要添加有效位

5.3.1 cache 访问

如图的例子

计算 cache 总容量
2 n × ( 单 个 数 据 块 容 量 + 标 签 字 段 大 小 + 有 效 位 大 小 ) 2^n\times(单个数据块容量+标签字段大小+有效位大小) 2n×(单个数据块容量+标签字段大小+有效位大小)

5.3.2 处理 cache 缺失

一旦指令 cache 缺失，按以下方式处理

1. 将 PC 的原始值（当前 PC - 4）发送当内存（停顿）
2. 对主存进行读操作，等待主存完成本次操作
3. 写 cache 表项，将从内存获得的数据写入数据部分，地址高位写入标签字段，置有效位为 1

5.3.3 处理写操作

写直达(write-throug)：同时更新 cache 和下一级存储，保持两者的数据一致。可通过写缓冲来减少停顿时间。

写返回(write-back)：当发生写操作时，新值只被写入 cache 中；当被改写的块在替换出 cache 时才被写到下一级存储。

5.3.4 cache 实例：Intrinsity FastMATH 处理器

5.4 cache 的性能评估和改进

读 操 作 带 来 的 停 顿 周 期 数 = 读 操 作 数 目 程 序 × 读 缺 失 率 × 读 缺 失 代 价 写 操 作 带 来 的 停 顿 周 期 数 写 操 作 数 目 程 序 × 写 缺 失 率 × 写 缺 失 代 价 + 写 缓 冲 满 时 的 停 顿 周 期 读操作带来的停顿周期数=\dfrac{读操作数目}{程序}\times 读缺失率\times 读缺失代价 \\写操作带来的停顿周期数\dfrac{写操作数目}{程序}\times 写缺失率\times 写缺失代价+写缓冲满时的停顿周期 读操作带来的停顿周期数=程序读操作数目​×读缺失率×读缺失代价写操作带来的停顿周期数程序写操作数目​×写缺失率×写缺失代价+写缓冲满时的停顿周期

例如：一个指令 cache 缺失率为 2%，数据 cache 缺失率为 4%，理想 CPI 为 2，缺失代价为 100 个周期。设 load 与 store 占 36%

则考虑缺失代价的 C P I = I × 2 % × 100 + I × 36 % × 4 % × 100 I = 5.44 \mathrm{CPI}=\dfrac{I\times2\%\times100+I\times36\%\times4\%\times100}{I}=5.44 CPI=II×2%×100+I×36%×4%×100​=5.44

平均访存时间(AMAT) A M A T = 命 中 时 间 + 缺 失 率 × 缺 失 代 价 \mathrm{AMAT}=命中时间+缺失率\times缺失代价 AMAT=命中时间+缺失率×缺失代价

5.4.1 使用更灵活的替换策略降低 cache 失效率

全相联(Fully associative)：主存中的某个数据块和 cache 中的任意表项都可以有关联。基于此，cache 中的标签位数 = 主存地址位数 - 块大小位数。并且这样的 cache 需要与块数相同的比较器。

组相联(Set associative)：每个数据块可以存放的位置数量是固定的。每个数据块有 n 个位置可放的组相联 cache 称为 n 路组相联 cache。基于此，cache 中的标签位数 = 主存地址位数 - 块大小位数 - 组的索引位数。并且需要 n 个比较器。

组号为 ( 数 据 块 号 ) m o d ( c a c h e 中 的 组 数 ) (数据块号)\mathrm{mod}(\mathrm{cache}中的组数) (数据块号)mod(cache中的组数)

5.4.2 在 cache 中查找数据块

下面是一个 4 路组相联的 cache，含有 2 8 2^8 28 个组

5.4.3 旋转替换的数据块

最近最少使用(LRU)：最长时间未被使用的数据块将被替换

随机替换：旋转随机的数据块替换

5.4.4 使用多级 cache 减少失效代价

5.4.5 通过分块进行软件优化

5.5 可靠的存储器层次

5.5.1 缺失的定义

5.5.2 纠正 1 位错、检测两位错的汉明编码

步骤：

1. 从左到右由 1 开始编号。
2. 将编号为 2 的整数幂的位标记为奇偶校验位 (1，2，4，……)
3. 剩余其他位用于数据位
4. 奇偶校验规则：编号为00……1……00，第 i 位为 1 的检查对应第 i 位为 1 的对应位

例：对于 8 位数据 10011010 的汉明编码为 011100101010

5.6 虚拟机

5.7 虚拟存储

虚拟存储：一种将主存看做辅助存储的 cache 技术

虚拟存储块定义为页，为了访存，处理器需要将虚拟页号(Virtual page number,VPN) 转换为物理页号(Physical page number,PPN)

此处页大小为 2 12 = 4 K i B 2^{12}=4\mathrm{KiB} 212=4KiB

5.7.1 页的存放和查找

页表寄存器：指向当前进程的页表首地址。

5.7.2 缺页失效

该过程非常类似于 cache 缺失

5.7.3 支持大虚拟地址空间的虚拟存储

1. 反向页表：对虚拟地址使用哈希函数，使页表容量等于主存中物理页的数量
2. 多级页表：采用层层查找的方式存储页表（下面是一个 4 级页表）

5.6.4 关于写

5.4.5 加快地址转换：TLB

快表(TLB)：用于记录最近使用的地址映射信息的 cache

在含有 TLB 的存储系统中，典型的读写过程可以如下描述：

读过程

1. 通过程序得到虚拟地址
2. 查 TLB 得到物理地址（在此步中，若 TLB 缺失则需要到主存中访问页表，找到页表后更改 TLB 表项( LRU 或随机替换)）
   • 若缺页，则需要到磁盘找到页，转移至主存，修改页表，修改TLB
3. 基于物理地址访存 (在此步中，若 cache 缺失则需要到主存中访问数据，找到数据后更改 cache 块)

写过程

1. 通过程序得到虚拟地址
2. 查 TLB 得到物理地址（在此步中，若 TLB 缺失则需要到主存中访问页表，找到页表后更改 TLB 表项( LRU 或随机替换)）
   • 若缺页，则需要到磁盘找到页，转移至主存，修改页表，修改TLB
3. 基于物理地址访存 (在此步中，若 cache 缺失则需要到主存中访问数据，找到数据后更改 cache 块)
4. 写 cache (写返回或写直达)

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