[发明专利]数字数据处理系统高速缓冲存储器内容的失效标记

说明书

本发明一般地涉及到数字数据处理系统的范畴，并特别地涉及到当在处理器中的高速缓冲存储器电路所存内容失效（Stale）时，用来作为标记的系统，该电路包含着数据，对于这些数据而言，存储在主存储器中的同样这些数据已被系统中其他部件所改写。

典型的数据处理系统包括三个基本部分，叫做处理器，存储器和输入/输出部分。存储器在可访问的存储单元中存了信息。这些信息包括数据和用来处理数据的指令。处理器包括一个或多个数字数据处理部件，或“处理器”，每个处理器导至信息传送或从存储器中提取出来信息，解释取来的信息为指令或是数据，并依照指令处理数据，然后将其结果存入所访问的存储单元中。

输入输出部分还和存储器进行通讯，目的是向系统传送信息或从系统得到处理后的数据。组成输入/输出部分的部件通常根据由处理器提供的控制信号进行操作。控制信号决定输入/输出装置要执行的操作。由输入/输出装置所执行的至少有一种操作是在输入/输出部件和存储器之间传送用户信息、即用户程序所使用的信息。由输入/输出元素组成的典型部件包括，例如，打印机，电传打字机，视频显示终端，并也可包括辅助信息存储装置例如磁盘或磁带。

除了作为输入/输出设备外，磁盘存储器，在某些情况下还有磁带存储器，也可以部分地起到存储器的作用。特别地，存储器部分典型地包括了主存储器，其内容是处理器容易较高速地进行访问的，但通常存储成本较高。现代的主存储器典型地采用MOS（金属氧化物半导体）和双极型半导体技术来实现，并可提供大约从几分之一兆字节到几十兆字节的存储容量。

另一方面，访问存放在磁盘存储器的信息所需要的时间大大超过了访问主存储器的时间，但是磁盘存储器能提供很大的存储容量，大约为数百兆字节或更多，且成本较低。此外，与主存储器不同的是，磁盘存储器的信息不易丢失，也就是说如果断电，存储的信息不会失去。因此，磁盘装置常用来为主存储器提供后备存储。也就是说，为尚不宜于进入主存储器的信息提供存储直到程序需要把它们调入主存储器为止。当程序需要存储在磁盘上的信息而不是在主存中的信息时，那些信息要被传送到主存储器中去。如果需要，在主存储器中那些将被自磁盘传送来的信息写入的存储单元的内容，可以在被来自磁盘的数据所重写之前，传送到磁盘去以便存储在里面。

在许多数字数据处理系统中，处理器（假设为一个处理器），大容量存储器和其他输入/输出设备均与单一的主存储器或几个主存储器模块进行通讯，这就可能产生对于主存储器的争用，它能够影响处理器从主存储器快速获得信息的能力。这样，也降低了处理器执行程序的能力。如果所有的部件均连接在单一的输入/输出总线上，当所有的被传送的信息都通过单一的总线来传送时，这种总线争用的问题将变得更加尖锐。

因此，在许多现代的计算机系统中，处理器含有高速缓冲存储器（Cache    memory），它是一个小的专用的存储器，仅可供处理器访问，存储了来自主存储器中最最近被请求的那些存储单元和其邻近的一些单元的信息。在典型的数据处理系统中，当处理器从主存储器中的一个存储单元请求一个信息项时，它将经常在此后不久需要其邻近的存储单元的内容。因此，当处理器能从主存储器请求信息时，它请求的信息多于那个时刻它所需要的信息，有可能此后不久这些剩余信息中至少有某些或许是它所需要的。当处理器得到了它所需要的该项信息时，它能立即开始使用它，并且如果发现处理器能够利用它已经接收到的其他信息，它将利用存储在高速缓冲存储器中的该信息而不必等待到从主存储器去得到该信息。

例如，美国专利U.S.4，439，829号中公开了一种具有高速缓冲存储器的数据处理机，在其上的操作操作可分为两个子周期，在第一个周期内从中央处理器接收读请求，在第二个周期内从外设中接收读请求或向该高速缓冲存储器写入。这样，中央处理器能够在第一周期内继续读高速缓冲存储器，不管第二周期是在读出还是写入高速缓冲器。

典型地，高速缓冲存储器被安排在块内，每块能存储预定的信息量。当信息从主存储器中提取出来并装入高速缓冲存储器块时，该块被赋值一个地址，叫做“标识符”（tag），标识符相应于主存储器中提取出来信息的相应存储单元的地址;因此高速缓冲存储器块是由主存储器中的存储单元来确认的。当处理器需要信息时，在高速缓冲存储器中的标识符要受到检验，以确定是否有一块含有所需要的信息。如果有一块含有所需要的信息，则处理器从该块高速缓冲存储器获得信息;否则，处理器从主存储器获得信息。