计算机系统结构总结_Memory Hierarchy and Memory Performance

Textbook:

《计算机组成与设计——硬件/软件接口》  　　HI

《计算机体系结构——量化研究方法》       　　QR

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这是youtube上一个非常好的memory system的课。

1. Physical Memory

这里我们重点关注DRAM

• 从概念上分为：Channel > DIMM > Rank > Chip > Bank > Row/Column
  • Channel：一个主板上可能有多个插槽，用来插多根内存。这些槽位分成两组或多组，组内共享物理信号线。这样的一组数据信号线、对应几个槽位（内存条）称为一个channel（通道）。现代内存控制器都从北桥移入CPU内部，而且内存控制器都可以同时操作多个通道。双通道和单通道的对比可以参考（Ch5 PPT  P16，P18-19，P39）
  • DIMM(dual inline memory module)是主板上的一个内存插槽。一个Channel可以包括多个DIMM。
  • Rank是一组内存芯片的集合。当芯片位宽x芯片数=64bits（内存总位宽）时，这些芯片就组成一个Rank。一般是一个芯片位宽8bit，然后内存每面8个芯片，那么这一面就构成一个Rank（为了提高容量，有些双面内存条就有两个rank。在DDR总线上可以用一根地址线来区分当前要访问的是哪一组。可以参考PPT P24）。同一个Rank中的所有芯片协作来共同读取同一个Address（一个Rank8个芯片 * 8bit = 64bit），这个Address的数据分散在这个Rank的不同芯片上。设计Rank的原因是这样可以使每个芯片的位宽小一些，降低复杂度。
  • Chip是内存条上的一个芯片。All chips comprising a rank are controlled at the same time. They share address and command buses, but provide different data.
  • Bank：Bank是一个逻辑上的概念。一个Bank可以分散到多个Chip上，一个Chip也可以包含多个Bank。Bank和Chip的关系可以参考下面的图，每次读数据时，选定一个Rank，然后同时读取每个chip上的同一bank。Banks share the same command / address / data buses
  • Row/Column：Bank可以理解为一个二维数组bool Array[Row][Column]。而Row/Column就是指示这个二维数组内的坐标。注意读取时每个Bank都读取相同的坐标（Ch5 PPT P3）

以淘宝某廉价内存条南亚易胜 Elixir DDR3 1600 4G 2R*8 PC3-12800S 1.5V 笔记本内存 双面16颗粒为例：

这个内存一共双面16芯片，芯片型号为N2CB2G80BN，查datasheet可知每个芯片有8 Internal memory banks，位宽也是8bit。这样每一面的8个芯片就构成一个Rank，整个内存条一共两个Rank。

那么CPU是如何读取内存的呢？• CPU一次需要访问64bit的数据（也叫做一个字）。那么对于上面这根内存，一个Rank可以提供8bit per chip * 8 chips per Rank = 64bit的带宽，就正好对接上啦。在这个Rank里，每个chip的同一bank（bank=k ）的同一地点（row=i, col=j）都会被读出8bit，那么8个chip就会同时读出64bit，然后由memory controllers传送给cpu。如图：

为了保证和CPU的沟通（要满64bit），一个内存至少要有一个RANK。但是为了保证大容量，DDR3内存经常是采用一个内存两个RANK的架构，一般也就是双面16颗粒。（过去也有用几个模组组成一个RANK的情况。比如老古董EDO内存的带宽只有32bit，但586及以上cpu的数据总线都是64bit，所以就需要成对使用）

Ref：

https://zhuanlan.zhihu.com/p/33479194
https://blog.51cto.com/10914132/1733629
https://zhuanlan.zhihu.com/p/25863918
http://lzz5235.github.io/2015/04/21/memory.html

2. 内存是如何读取数据的？

那么对于一个chip上的某个Bank，又是怎么读取的呢？我们以读取Row0, Column0为例：

• STEP1：开始读，send row address
• STEP2：open this row
• STEP3：copy the whole row into Row Buffer
• STEP4：send column address, and get the data

这几步读取完成后，Row Buffer暂时不会被清空。下次如果读同一个Row上的不同Column（比如Row0, Column23），就直接去Row Buffer拿就行啦，相当于只执行STEP4的操作。这次就叫做Row Buffer Hit。

如果下次读的是不同的Row（比如Row1, Column0），那就得先把Row Buffer里的数据写回内存中的Row0（因为可能被改写过），然后close Row0。然后对Row1再执行一下STEP1--STEP4的所有操作。这次叫做Row Buffer Miss。

如果每次都读不同的row，那么row buffer miss就会比较多，性能就会下降。

在从内存向cache block读数据的时候，从低地址向高地址读，每次64bit。（可以参考这里的7. Ohters这一节）

2. interleaving（QR P76、ch5 ppt P37）

在之前的图上，我们看到对于每次DRAM access，都是访问某个Bank的全部Row/Column，然后得到64bit的数据。但是实际上不同Bank又不相互影响，所以我们是可以parallel的访问不同Bank的。那么对于一大坨要访问的数据，如果能分散到多个Bank上，就可以parallel的访问它们啦！那应该如何实现这一点呢？我们需要观察一下内存地址的编码方式：

图中有两种方式：Row interleaving 和 Cache interleaving。

• 对于Row interleaving，因为Bank在高地址位（2^3=8个Bank）。那么假设现在要访问一大坨数据，根据locality的原理它们的内存地址经常是consecutive的，那么按这种编码方式它们就会被尽量塞到同一个Bank里。这样虽然单个Bank的row buffer的hit比较高，但只有这一个Bank在忙碌，其他7个Bank都闲着。综合起来看还是不大好
• 对于Cache Block interleaving，我们把Bank往下放了一点，只留了三位的Column在低地址（这里假设64Bytes的Cache Block）。这样相邻的cache block address就会被放到不同的Bank上，就可以parallel的访问它们啦

但是如果access pattern不是consecutive的，那么这种方法就不一定起效果了。所以还有一种方法就是随缘了（randomize the address mapping to banks so that bank conflicts are less likely）。下面这种方法表示Bank index是某三位的xor运算的结果：

interleaving in multiple channels

如果有很多的Channel，那么内存地址中就会多一位来选择channel。这一位的放置位置也有很多种选择：

对于还是64 Bytes的cache block，按照图中这5种方式，consecutive cache block（后6位相当于block内的offset）会被放在哪里呢？

1. same channel different bank
2. same channel different bank
3. same channel different bank
4. different channel different bank
5. The same cache block is scattered on different channels（这样也不好）

3. DRAM controller

ch5 PPT P43

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