[發明專利]用于多線程處理機的指令高速緩存器

有效

• 申請號: 00101695.4
• 申請日: 2000-01-27
• 公開（公告）號: CN1267024A
• 公開（公告）日: 2000-09-20
• 發明（設計）人: 理查德·威廉·杜英;羅納德·尼克·凱拉;斯蒂芬·約瑟夫·施文
• 申請（專利權）人: 國際商業機器公司
• 主分類號: G06F15/16
• 分類號: G06F15/16
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所
• 代理人: 于靜

本申請是普遍轉讓共同未決的美國專利申請序號08/966,706的繼續部分，于1997年11月10申請，標題為“有效對實地址高速緩存器管理的設備和方法，其是本文的參考文獻。

本申請還和下述普遍轉讓共同未決的美國專利申請有關，它們都是本文的參考文獻：

序號08/976,533，於1997年11月21日申請，標題為“在多線程數據處理系統中從多條目全相關高速緩存緩沖器存取數據”。

序號08/958,718,1997年10月23日申請，標題為“在多線程處理機中改變線程優先級”。

序號08/958,716，1997年10月23日申請，標題為“在多線程處理機中用于選擇線程切換事件的方法和設備。

序號08/957,002，1997年10月23日申請，標題為“多線程處理機系統中的線程切換控制”。

序號08/956,875，1997年10月23日申請，標題是“多線程處理機中保證正向進展的設備和方法”。

序號08/956,577，1997年10月23日申請，標題為“在多線程處理機中強制線程切換的方法和設備”。

序號08/773,572，1996年12月27日申請，標題為“多線程處理機中指令和相關的取請求的后臺完成”。

本發明一般地涉及數字數據處理，尤其涉及用于向數字計算機系統的處理單元提供指令的指令高速緩存器。

現代計算機系統通常包括中央處理機(CPU)以及存儲、檢索及傳送信息所需的支持硬件，例如通信總線和存儲器。它還包括和外界通信所需的硬件，例如輸入/輸出控制器或存儲控制器，以及連在其上的部件，如鍵盤、監視器、磁帶機、磁盤機、和連網的通信線路、等等。CPU是系統的心臟。它執行構成計算機程序的指令并且指導其它系統部件的操作。

從計算機硬件的角度來看，大多數系統以基本上相同的方式運行。處理機能執行有限的非常簡單的運算集，例如，算術、邏輯比較以及把數據從一個單元移動到另一個單元。但以非?？斓乃俣葓绦忻看芜\算。指導計算機執行大量的這些簡單運算的程序給出計算機錯綜復雜地做事的錯覺”通過執行基本上相同的非常簡單的運算集而可能達到的計算機系統的新的或者改進的能力，只是使用戶感覺計算機系統工作得更快。從而，對計算機系統的持續改進要求使這些系統還要更快。

計算機系統的總速度(亦稱為“吞吐量”)可以粗略地用單元時間內執行的運算次數來量測。概念上，所有可能的改進系統速度方法中的最簡單方法是提高各部件的時鐘速率，尤其是處理機的時鐘速率。例如，若每件事加倍快地運行而其它方面完全照常工作，系統會以一半的時間完成給定的任務。由許多分離器件構成的早期計算機處理機容易通過縮小器件尺寸、減少器件數量以及最終把整個處理機裝配成單塊芯片上的集成電路明顯地提高速度。尺寸的減少使得有可能提高處理機的時鐘速度，從而提高系統速度。

盡管由集成電路得到速度上的極大改進，對速度更快的計算機系統的需求仍然存在。通過更大的集成(即增加單塊芯片上封裝的電路數量)、通過進一步減小電路的尺寸以及通過各種別的技術，硬件設計者能得到速度上的進一步改進。然而，設計者可以看出不能無限地不斷減小物理尺寸，他們的繼續提高處理機的時鐘速率的能力是受到限制的。從而注意力轉向到其它進一步改進計算機系統的總速度的方法上。

在不改變時鐘速率的情況下，有可能通過使用多個處理機改進系統的吞吐量。在集成電路芯片上裝配的各個處理機的不貴的價格使此成為現實的。盡管采用多個處理機存在確實的潛在好處，但也引入了附加的體系結構問題。在不對此深入研究時，仍可看出存在許多改進各個CPU的速度的理由，不管系統總線采用多個CPU還是采用單個CPU。若CPU時鐘速率是給定的，有可能通過提高每個時鐘周期中執行的運算的平均數量提高每個CPU的速度，即，每秒鐘執行的運算的數量。

為了提高CPU速度，在高性能處理機設計中常常采用指令流水線技術，以及一層或多層超高速緩沖存儲器。流水線指令執行允許在結束前一個發布的指令之前開始執行后繼的指令。超高速緩沖存儲器存儲頻繁使用的數據以及其它更接近處理機的數據，并且在大多數情況下允許不必等待對主存儲器的全部存取時間下持續地執行指令。