[发明专利]高速缓存分区分配

说明书

技术领域

本发明通常涉及数据处理系统，并且更具体地涉及数据处理系统内的高速缓存机制。更具体地，本发明涉及多分区高速缓存的高速缓存片(slice)内的高速缓存分区(sector)分配。 

背景技术

传统的多处理器数据处理系统可包括多个处理单元、系统存储器、以及耦合在处理单元和存储器之间的一级或多级高速缓存存储器。高速缓存是用来以变化的等待时间(latency)存储数据处理系统的整体存储器的子集的临时存储设备。各种高速缓存以定义为级的关于处理单元的高速缓存层次配置。在各级高速缓存层次，在高速缓存的大小和访问等待时间之间进行折衷。本领域技术人员熟知多级高速缓存层次的概念，其根据可用实现技术优化各种高速缓存层次级的访问等待时间和大小特性，导致最优的系统性能。 

处于给定层次级的高速缓存典型地包括多个组件，其包括高速缓存目录阵列、高速缓存数据阵列、以及更新和管理高速缓存所需的功能逻辑单元。高速缓存的高速缓存数据阵列部分是利用来存储主存储器的各部分的复本的数据存储元件的集合。高速缓存数据阵列划分为一系列所谓的“高速缓存块”。这些高速缓存块是用来保持数据处理系统内的主存储器的相邻部分的复本的存储区域。这些块典型地在大小上为128字节的阶，并且是二的幂的大小。 

在下面的描述中，将假设128字节的高速缓存块大小。本领域技术人员将能够将本发明应用到具有其他高速缓存块大小的数据处理系统。此外，还对准了复制到高速缓存块中的存储器的各部分。换句话说，映射到高速缓存块中的存储器的相邻部分的起始地址是高速缓存块大小的整数倍。 

典型地，高速缓存的数据阵列部分组织为高速缓存块的M×N矩阵。矩阵的每行称为“同余类(congruence class)”，并且同余类的数量典型地为二的幂。在给定同余类中，提供N块以保持主存储器的相邻部分的复本。同余类中具有N块的高速缓存称为N路(N-way)集合关联高速缓存。 

通过高速缓存块映射主存储器中的每个位置以驻留在高速缓存内的特定同余类中。主存储器地址的低阶位(对于128字节高速缓存线的七位)指示正访问高速缓存线内的哪个字节，并且不影响高速缓存块到同余类的映射。地址的次高有效log₂(M)位称为“同余类地址”。这些地址位用于索引(index)到高速缓存的M行中。存储器的高速缓存块大小的并对齐的部分可驻留在寻址的同余类中的N块(条目)的任一中。地址内的剩余高阶位称为“标签”，并用于区分可能在同余类中分配的主存储器的不同块。 

现在参照图1A，示出了关于下述的描述：如何解释构成主存储器地址的各位，以确定对于具有64位地址的系统和具有128字节高速缓存线的4096同余类的高速缓存，主存储器位置可映射到高速缓存内的哪里。字段103中的低阶7位(位57-63)指示对应于该地址的高速缓存线内的字节。由于该字段寻址高速缓存线内的字节，因此当确定高速缓存块可驻留在高速缓存内哪里时，忽略它。 

同余类地址字段102中的接下来12位(位45-56)指示该存储器地址映射到的高速缓存内的同余类。包含该地址的高速缓存块可驻留在寻址的同余类中的N块的任何中。最后，字段101中的地址的剩余位(位0到44)称为存储器块的“标签”。 

为了记录高速缓存中存在主存储器的哪些部分，高速缓存包括M×N条目高速缓存目录阵列。该高速缓存目录阵列中的每个条目直接对应于M×N高速缓存数据阵列中的一个条目，并且指示主存储器的哪个部分映射到高速缓存数据阵列的对应条目和在该条目处的高速缓存线的状态。 

现在参照图1B，示出了高速缓存目录条目的描述。标签字段104由映射到高速缓存内的该条目的主存储器的块的地址的标签部分组成。状态字段105包含映射到该条目的高速缓存块的状态。在描述的实施例中，四位用于提供高达16个可能的高速缓存状态。这些状态之一指示该线“无效”。在存在无效状态时，忽略该目录条目的标签字段内的值，因为高速缓存中的该条目不是有效的(该鉴定是必要的，因为一些值总是存在于标签字段中，而不论存储器的对应部分实际是否已经驻在高速缓存条目中)。