摘要：  高速緩存作為中央處理器 (CPU) 與主存之間的小規(guī)?？焖?a class="innerlink" href="http://wldgj.com/tags/存儲(chǔ)器" title="存儲(chǔ)器" target="_blank">存儲(chǔ)器,，解決了兩者數(shù)據(jù)處理速度的平衡和匹配問題，有助于提高系統(tǒng)整體性能,。多處理器 (SMP) 支持共享和私有數(shù)據(jù)的緩存,，Cache 一致性協(xié)議用于維護(hù)由于多個(gè)處理器共享數(shù)據(jù)引發(fā)的多處理器數(shù)據(jù)一致性問題。論述了一個(gè)適用于64位多核處理器的共享緩存設(shè)計(jì),，包括如何實(shí)現(xiàn)多處理器緩存一致性及其全定制后端實(shí)現(xiàn),。

關(guān)鍵詞： 共享高速存儲(chǔ)器；多核處理器,；AMBA總線,；

中圖分類號(hào)：TP332       文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 

文章編號(hào)：

0. 引言

本文介紹了一種共享高速存儲(chǔ)器模塊的設(shè)計(jì)。該高速存儲(chǔ)器能夠?qū)崿F(xiàn)多核處理器間的數(shù)據(jù)交換,，同時(shí)占用較小的電路面積,。相比傳統(tǒng)的多核處理器數(shù)據(jù)交換方式，本設(shè)計(jì)可以更好地提升系統(tǒng)性能,。是一種有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),；

1. 共享緩存結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1．1 總體考慮

在多核 CPU中共享高速緩存主要負(fù)責(zé)緩存多個(gè)處理器核的數(shù)據(jù)，處理訪問這些數(shù)據(jù)的缺失請(qǐng)求并向 DRAM 控制器發(fā)送請(qǐng)求以獲得 DRAM 返回的數(shù)據(jù),。共享高速緩存通過交叉開關(guān)總線與各個(gè)處理器核互連,，通過交叉開關(guān)總線轉(zhuǎn)發(fā)通信數(shù)據(jù)包進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。共享高速緩存分為四個(gè)緩存組,，每個(gè)緩存組采用組相聯(lián)地址映射,。每個(gè)處理核心都可以發(fā)送數(shù)據(jù)包到任意一個(gè)緩存組，同數(shù)據(jù)包也可以反方向發(fā)送從任意一個(gè)緩存組到任意一個(gè)處理核心,。

共享緩存采用四路組相聯(lián)映射,，將緩存分1024 組。緩存塊的物理地址分為3部分,，包括標(biāo)簽塊,、索引塊以及塊內(nèi)偏移。索引部分用于確定緩存塊所在的組,。通過比較物理地址的標(biāo)簽塊和所選中組內(nèi)的四路標(biāo)簽,，可以確定訪問的命中或者缺失。在命中時(shí),，比較的結(jié)果作為路選擇向量發(fā)往數(shù)據(jù)陣列,。緩存通過路選擇向量和組選擇向量確定

1．2 緩存一致性

對(duì)稱式共享存儲(chǔ)器多處理器系統(tǒng)中多處理器2高速緩存子系統(tǒng)共享同一個(gè)物理存儲(chǔ)器，通過總線連接,，對(duì)于所有的處理器訪問存儲(chǔ)器的時(shí)間一致,，即均勻存儲(chǔ)訪問 (UMA),。對(duì)稱式共享存儲(chǔ)器系統(tǒng)支持共享和私有數(shù)據(jù)的緩存。私有數(shù)據(jù)被單個(gè)處理器使用,，而共享數(shù)據(jù)則被多個(gè)處理器使用,，通過讀寫共享數(shù)據(jù)完成處理器之間的通信。共享數(shù)據(jù)在多個(gè)緩存中形成副本,，減少了訪問時(shí)延,、降低了對(duì)存儲(chǔ)器帶寬的要求并減少多個(gè)處理器讀取共享數(shù)據(jù)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象。然而,，共享數(shù)據(jù)帶來了緩存一致性問題,，實(shí)現(xiàn)緩存一致性關(guān)鍵在于跟蹤所有共享數(shù)據(jù)塊的狀態(tài)。目前為了實(shí)現(xiàn)緩存一致性而廣泛采用的有目錄式以及監(jiān)聽式這兩種協(xié)議,。該設(shè)計(jì)采用目錄式緩存一致性協(xié)議 ,把物理存儲(chǔ)器的共享狀態(tài)放在目錄表中,，根據(jù)目錄跟蹤哪一個(gè)以及緩存擁有二級(jí)緩存塊的副本。一級(jí)緩存是寫直達(dá)的,，只有無效信息被要求,，共享緩存是寫回的，數(shù)據(jù)總可以從共享緩存中重新得到,。為減少目錄的開銷,，將目錄放在緩存中而不是存儲(chǔ)器中。

當(dāng)一個(gè)塊還未被緩存有 2 種可能的目錄請(qǐng)求：

1) 讀缺失：共享緩存向發(fā)出請(qǐng)求的處理器送回所要求的數(shù)據(jù),，發(fā)送請(qǐng)求的節(jié)點(diǎn)成為唯一的共享節(jié)點(diǎn),。塊的狀態(tài)設(shè)為共享。

2) 寫缺失：向發(fā)出請(qǐng)求的處理器送回?cái)?shù)據(jù)并使它成為共享節(jié)點(diǎn),。數(shù)據(jù)塊設(shè)為獨(dú)占狀態(tài)，指明這是唯一有效的緩存副本,。共享者集合中指明所有者,。當(dāng)數(shù)據(jù)塊處于共享狀態(tài)時(shí)，共享緩存中的值是最新的,，有 2 種可能的目錄請(qǐng)求：

1) 讀缺失：共享緩存向發(fā)送請(qǐng)求的處理器送回所要求的數(shù)據(jù),，并將發(fā)送請(qǐng)求的處理器放到共享集中。

2) 寫缺失：向發(fā)送請(qǐng)求的處理器送回?cái)?shù)據(jù),，無效共享集合中的處理器緩存塊,，保存發(fā)送請(qǐng)求的處理器標(biāo)識(shí)，將數(shù)據(jù)塊設(shè)置成獨(dú)占狀態(tài),。

當(dāng)數(shù)據(jù)塊處于獨(dú)占狀態(tài)時(shí),，塊的當(dāng)前值保存在共享者集所指明的處理器的緩存中，有 3 種可能的目錄請(qǐng)求：

1) 讀缺失：向所有者處理器發(fā)送數(shù)據(jù)消息,，將緩存塊狀態(tài)設(shè)為共享,。由所有者向目錄發(fā)送數(shù)據(jù),，將數(shù)據(jù)寫入共享緩存并發(fā)送回發(fā)出請(qǐng)求的處理器。再將發(fā)出請(qǐng)求的處理器添加到共享者集合中,，這時(shí)集合中仍然會(huì)有其他所有者處理器,。

2) 數(shù)據(jù)寫回：執(zhí)行寫回操作，更新存儲(chǔ)器副本 ,，共享者集合為空,。

3) 寫缺失：數(shù)據(jù)塊有了新的所有者。向舊的所有者發(fā)送消息,，使緩存將該數(shù)據(jù)塊設(shè)置為無效,，并把值發(fā)送到目錄中，再通過目錄把數(shù)值發(fā)送到發(fā)出請(qǐng)求的處理器上,。發(fā)出請(qǐng)求的處理器成為新的所有者,。共享者集合只保留新所有者的標(biāo)識(shí)，而塊仍然處于獨(dú)占狀態(tài),。

2. 高速共享緩存模塊

用戶RAM大小為2MB,，掛接在雙核之間的AHB總線上，兩個(gè)內(nèi)核訪問區(qū)域可以任意配置,。其內(nèi)部是一塊 SRAM 和AHB總線從接口電路,，如圖2-1所示。讀訪問有一個(gè)周期的延遲,，寫訪問無延遲,。讀寫訪問時(shí)序見圖2-2、圖2-3,。讀寫都支持字節(jié)（byte）訪問,、半字（half-word）訪問或字（word）訪問。

用戶RAM所在的地址空間范圍為0xA0000000 ~ 0xA01FFFFF,。

圖 21 用戶RAM結(jié)構(gòu)示意圖

假設(shè)CPU0寫數(shù)據(jù)到用戶RAM,，接著CPU1從用戶RAM讀數(shù)據(jù)。這種情況下,，CPU0首先寫數(shù)據(jù),，然后將標(biāo)志變量置1，表示用戶RAM內(nèi)的數(shù)據(jù)已更新,。標(biāo)志變量地址位于用戶RAM地址范圍內(nèi),。接著CPU1讀標(biāo)志變量，若變量為1,，則從用戶RAM內(nèi)對(duì)應(yīng)地址讀取CPU0寫入的數(shù)據(jù),，并將標(biāo)志變量置0；若標(biāo)志變量為0,，則表示用戶RAM內(nèi)數(shù)據(jù)已被CPU1讀取過,。

     使用以上方法可實(shí)現(xiàn)核間數(shù)據(jù)交互,。由于同一時(shí)刻AHB總線上只能有一個(gè)設(shè)備利用總線進(jìn)行讀寫，所以可以保證讀寫操作的原子性,，即標(biāo)志變量不可能被CPU0和CPU1同時(shí)訪問,。從而保證了標(biāo)志變量的有效性。

圖 22 用戶RAM讀時(shí)序

圖 23 用戶RAM寫時(shí)序

參 考 文 獻(xiàn)
[1 ]John L . Hennessy , David A. Patterson , Computer Architecture : A Quantitative Approach , Fourth Edition [ M ]. Ap professional ,1990
[2 ] Sun Microsystems Inc. OpenSPARC T1 Microarchitecture Specification[ R]. 2006
[3 ]David A. Patterson , John L . Hennessy , Computer organization and design[ M ]. Morgan Kaufmann ,2004
[4 ] Michael D. Ciletti , Advanced digital design with the Verilog HDL [ M ]. Pearson ,2005
[5 ]周立. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) [ M ]. 北京 :清華大學(xué)出版 社 ,2006