概要

前面了解过，CPU速度 提升的会越来越快，存储芯片速度 提升的相比来说就会比较慢。比如CPU五年提高50%，存储芯片10年提高50%。
因为CPU需要的程序、数据都在存储器里；CPU又需要将计算结果存储在存储器里；所以如果两者的执行速度差就会越来越大，那么即使CPU速度再快也无济于事。
这种问题在业界内称为 存储墙问题

所以为了提高存储芯片的性能，我们前面介绍了以下几种方法：

• 提高芯片性能（SRAM、DRAM等等）
• 存储系统的层次结构（CPU-缓存-主存）

本节就是要讲另外一种提高存储器速度的方法：改变主存内部的结构

主存的结构

单体多字处理系统

单体多字系统的核心在于：扩展存储字长。
比如原来是一个 存储字长（=机器字长），现在将存储字长提高为原来的N倍。

假设现在机器字长为16位，存储字长为64位。如下图所示：

单体多字处理系统的要点：

1. 图中存储体那行，其实分成了四块（每一块的存储字长都是和机器字长相等的，即16位），共组成了一个64位的存储单元
2. 当CPU要获取数据时，先将 一个存储单元内的数据（即64位） 读到 数据寄存器中，下一次要用时可以直接用

这样就能提高存储器的带宽，但是它也有自己的缺点：

1. CPU每次写入时，由于只能写入16位的数据，所以每次都需要先写入图中的单字寄存器，然后由单字寄存器写回存储体。但是对于存储体来说，每次应该写入64位，所以在写入过程中可能会发生误伤的情况（覆盖了不必要的数据）
2. CPU读取数据时，如果数据不是连续的，就会产生浪费。比如读到一条指令，该指令要跳转到后面的存储地址，那么此次读就会产生浪费

多体并行之高位交叉

多体并行的核心在于：让多个存储体并行操作，每个存储体有各自独立的地址寄存器（MAR）、数据寄存器（MDR）、地址译码、驱动电路、读/写电路等等。而高位交叉如下图所示

高位表示体号、低位表示体内地址（可以参考字扩展），由于程序因按体内地址顺序存放（一个体存满后，再存入下一个体），故又有顺序存储之称。这种编码方式，只要合理调动，使不同的请求源访问不同的体，便可实现并行工作。

缺点：
如果CPU经常访问同一个个体，其他个体就会空闲着，就会产生“一体有难，三核围观”的现象。

多体并行之低位交叉（又称交叉存储）

多体并行就不赘述了，这里讲一下低位交叉，因为高位交叉是顺序存储的，只有当一个存储体全部用完后才会使用后面的存储体，所以多体并行就可能发生CPU一直访问一个存储体，而不访问其他存储体的问题。

而低位交叉正好解决了这个问题，让低位作为体号，高位作为体内地址，如下图所示

每次先将第一排放满，再放第二排，第三排…

多体并行的总结

虽然对于每个存储操作来说，周期没有缩短，但由于CPU交叉访问各体，使四个存储体的读/写重叠在一起，最终在一个存储周期内完成，存储器向CPU提供了四个存储字。时间关系如下图所示

在每一个读写周期内，会执行多次总线传输。保证T(存取周期) = n(存储体个数) * τ(总线传输周期)。注意，读写周期并没有缩短，而是让读/写过程重叠进行，最终在一个存取周期内 开始（注意图，不是完成，而是启动存储体的时间，正好在一个存取周期内。），存储器最终向CPU提供了4个字节。

用流水线表示低位交叉的多体并行系统的图如下所示：

很明显，读取四个字所花费的时间是 T + 3τ：在第一个存取周期内开始所有体的读/写操作。并在延迟3τ之后全部完成。

可见，对于低位交叉来说，如果连续读取n个 字，所需要花费的时间为：t = T + (n - 1) * τ

对于高位交叉（即顺序存储）来说，如果连续读取n个 字，所需要花费的时间为：t = n * T

注意这里的概念：存取周期是指连续开始两次读/写操作的间隔时间，这个指标是对于存储器来说的；总线传输周期是指完成地址分配、传指、传数、结束阶段的时间。总线传输周期总会小于存取周期，因为CPU的处理速度几乎远大于主存处理的速度。

例子：
设有四个模块组成的四体存储器结构，每个体的存储字长为32 位，存取周期为200ns。

假设数据总线宽度为32 位，总线传输周期为50ns，试求顺序存储和交叉存储的存储器带宽。

解：

1. 对于四个低位存储体来说，连续读取4个字所花费的时间为：t = T + (n - 1) * τ = 200 + 3 * 50 = 350ns

2. 对于四个高位存储体来说，连续读取4个字所花费的时间为：t = T * n = 200 * 4 = 800ns

3. 交叉存储的带宽即为：32 * n / t = 32b * 4 / 350ns = 0.3657 * 10^9 bps

4. 顺序存储的带宽即为：32 * n / t = 32b * 4 / 800ns = 0.16 * 10^9 bps