[发明专利]一种优化STT‑RAM缓存写能耗的方法

说明书

所属技术领域

本发明涉及计算机系统结构领域，尤其涉及STT-RAM缓存结构，实现对STT-RAM缓存的写能耗优化。

背景技术

缓存是计算机处理器中的重要结构，可以有效缩短数据访问延时，提升处理器性能。随着处理器核数的增加，片上的缓存容量也同步增加，使得片上90％的面积都被缓存占用，导致缓存成为处理器中能耗最大的器件。由于SRAM静态能耗大和密度低的特点，现有的SRAM器件不再适合作为缓存；而STT-RAM(Spin transfer torque RAM)凭借其高密度，低静态能耗，非易失性等优点成为实现缓存的主要存储器件。

与SRAM存储数据的原理不同,STT-RAM存储单元通过改变自身的电阻大小来存储数据。每个STT-RAM存储单元包含三个层：一个参照层，一个氧化物层和一个自由层。其中的参照层和自由层均带磁性，并且两者由中间的氧化物层隔离。通过对存储单元加载电流，可以改变其中自由层的磁极方向。当参照层和自由层的磁极方向相同时，存储单元的电阻低，表示逻辑值0；如果参照层和自由层的磁极方向相反，存储单元的电阻高，表示逻辑值1。写数据主要就是对存储单元加载较长时间的电流值，耗费的较大的电能，也带来STT-RAM缓存的一个最大的缺点写能耗过大。另一方面，SRAM主要优点是读写速度快，写能耗低；SRAM的优点刚好弥补STT-RAM的缺点。但是大容量的SRAM又会导致静态功耗过大的问题。

发明内容

本发明要克服现有技术的上述缺点，提供一种能耗小的优化STT-RAM缓存写能耗的方法。

通过在主体的STT-RAM缓存旁边增加一小容量的SRAM缓存来优化STT-RAM的写能耗。两者采用主从的工作方式，STT-RAM缓存作为主，首先接收来自上一级的写请求，评估在自身的写更新能耗，再将该能耗值与SRAM的写能耗进行比较；如果本身的写能耗低于写SRAM的能耗，那么数据就会写往STT-RAM缓存；否则的话，数据会发往SRAM。读数据时，首先会查找STT-RAM缓存，如果SRAM有目标数据的最新拷贝，就从SRAM读取数据；否则，就直接从STT-RAM读取。SRAM中的脏数据替换时直接写往内存。实现上述的步骤，主要包含以下的技术步骤：

1)对主体STT-RAM缓存增加一小容量的从SRAM缓存：

主体STT-RAM的写能耗高，其旁增加一小容量的的写能耗较低的SRAM缓存。SRAM缓存采用全相联结构，最近最少使用替换策略，接受来自主体SRAM的写数据块。

2)比较写能耗后完成写更新：

发生写主体STT-RAM缓存时，提前阅读目标地址的旧数据，将该数据与将写数据按位进行比较，统计相异的数据位数，并计算写主体STT-RAM将发生的能耗。主体STT-RAM的写能耗与从SRAM缓存的写能耗比较，将数据块发送到往写能耗较低者。

3)对主从缓存的数据读写管理：

当发生数据读操作时，如果目标缓存块的最新拷贝在SRAM中，就从SRAM读取，否则从STT-RAM读取；当SRAM缓存中的数据块被替换时，那么数据块就直接写往内存，同时通知STT-RAM缓存被替换的缓存地址；STT-RAM中的某个块被替换时，根据该缓存块是否在SRAM中进行相应处理。

本发明通过采用小容量的SRAM来优化和弥补STT-RAM写能耗高的劣势。本发明的内容和特点就是：对主体STT-RAM缓存增加一小容量的伴随SRAM缓存，统计新的缓存数据块与原有数据的相异数据位，比较写操作分别发生在STT-RAM缓存和SRAM缓存的能耗，并且将数据写往能耗较小者。通过STT-RAM缓存与小容量SRAM从缓存结合的方式，提供一种优化STT-RAM缓存写能耗的方法。

本发明的优点是：结构简单，能耗小。

附图说明

图1是STT-RAM存储单元图

图2是STT-RAM缓存和SRAM缓存的连接图

图3是STT-RASM缓存块结构图

图4是SRAM缓存块结构图

具体实施方式

1.对主体STT-RAM缓存增加一小容量的伴随SRAM缓存