[发明专利]一种CC-NUMA系统中结点控制芯片目录Cache的方法

摘要

本发明提供一种CC-NUMA系统中结点控制芯片目录Cache的方法，设计实现一个目录Cache模块，完成并优化对存储器的访问控制。在计算机体系结构的研究与设计中，经常会考虑到应用程序访存的局部性。其中，最近访问的数据会在不久后再次被访问这被称为时间局部性，基于这个特性，在基于目录的CC-NUMA系统中引入Cache来缓存目录项，并采用最近最少使用（LeastRecentlyUsed，LRU）替换算法，可以很好地降低目录访问的压力，缓解存储器访问的瓶颈效应。

主权项

一种CC‑NUMA系统中结点控制芯片目录Cache的方法，其特征在于在CC‑NUMA系统中的结点控制芯片中引入Cache模块来实现和优化Cache一致性协议，不仅降低了存储器的访问压力，而且提高了结点控制器的处理效率，降低Cache一致性协议处理的开销，具体内容如下：设计一个目录Cache模块，完成并优化对存储器的访问控制：在计算机体系结构的研究与设计中，经常会考虑到应用程序访存的局部性，其中，最近访问的数据会在不久后再次被访问，这种情况被称为时间局部性，基于这个特性，在基于目录的CC‑NUMA系统中引入Cache来缓存目录项，并采用最近最少使用替换算法，来降低目录访问的压力，缓解存储器访问的瓶颈效应，目录Cache用于缓存最近经常使用的目录条目，目的是减小目录的访问延迟，减少CC报文的协议处理时间，提高结点控制器对报文处理的吞吐量，所有进入结点控制器的CC一致性报文，都必须访问目录Cache，以获得数据对应的目录，以便进行后续的协议处理，由于目录Cache的容量有限，不可能保存所有的目录条目，因此，当CC报文需要的目录条目在目录Cache中没有命中时，则需要访问外部存储器以获得目录，同时，为了提高并行访问的效率，采用非阻塞工作方式，即前一个未完成的访问操作不会阻塞后续访问的执行；而在目录Cache与存储体的映射方面，采用8路组相联的方式，从实际应用的角度来看，8路组相联在降低失效率方面的作用已经和全相联一样有效，能更好地减少系统的开销，实施步骤如下：目录Cache模块由4个目录Cache体、1个数据旁路模块以及1个控制与状态寄存器模块构成，其中：    1) 4个目录Cache体是相互独立，对应4块存储地址，其中每个目录Cache体的设计都是完全相同的，容量为128KB，映射方式为8路组相联，每个Cache行大小为64B，即512b，这是由与存储控制器接口的宽度所决定的，共计256行，目录Cache体采用最近最少使用替换算法，提高芯片性能，并采用非阻塞工作方式，即前一个未完成的访问操作不会阻塞后续访问的执行；为了增加系统的容错性，整个模块中还包含一个目录数据旁路模块，处于调试状态时，通过目录数据旁路模块的数据通路来传送数据，为了简化实现，减少逻辑资源的占用，采用阻塞工作方式，即所有的访问操作顺序执行，在前一个操作未完成之前，后面的操作不会流入，等待前面的操作完成；为了增加可控性与可观察性，模块中包含一个控制与状态寄存器模块CSR，保存用户设置的控制信息与每个目录Cache体的错误状态信息；在此基础上，目录Cache的操作包括两种：一种是读目录，二种是存目录，下面分别介绍这两种操作的详细过程：对于一个读目录操作，根据是否命中，分为下面两种情况来处理：1）若命中，则直接从返回对应的4字节（32b）的数据；2）若没有命中，则发出一个访存的读请求，载入一个Cache行的数据，创建一个Cache行的目录项，而后根据请求报文的地址的最低位，确定相应的32位目录项，返回数据；对于一个写目录操作，根据是否命中，以及是否需要替换的因素，分为下面三种情况来处理：1）若命中，则直接将请求报文中的32位目录数据写入，等待以后替换时才真正写入外部存储器；2）若未命中，但Cache行中有空余项，则向存控发出一个读命令，载入一个Cache行的数据，创建一个Cache的目录项，而后根据请求报文的地址的最低位，将报文中的32位目录项写入Cache行的相应位置，等待以后替换时才能够真正写入外部存储器；3）若未命中，且Cache行已满，则根据最近最少使用算法，选择一路替换出阵列，并将替换出的Cache行的数据写入对应的外部存储器；而后向存控发出一个读命令，载入一个Cache line的数据，创建一个Cache的目录项；而后根据请求报文的地址的最低位，将报文中的32位目录项写入Cache行的相应位置；需要指出的是，对于目录Cache体和数据旁路模块，上述操作的不同之处在于：首先，在数据旁路模块中，采用先来先服务FCFS的策略，严格地按照顺序执行，不允许乱序，后面的操作要等待前面的操作完成后，才能被处理；其次，数据旁路模块中不存在多个目录Cache行，每次读写都必须从存储器中读取相对应的一个Cache行。