[發明專利]用于改進超高速緩存性能的輸入/輸出頁面刪除確定

無效

• 申請號: 00104383.8
• 申請日: 2000-03-23
• 公開（公告）號: CN1268695A
• 公開（公告）日: 2000-10-04
• 發明（設計）人: 加里·迪恩·安德森;羅納德·艾克斯韋爾·阿羅佑;布拉德里·喬治·夫雷;蓋伊·萊恩·古施瑞
• 申請（專利權）人: 國際商業機器公司
• 主分類號: G06F12/08
• 分類號: G06F12/08;G06F9/44
• 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

本發明一般地涉及數據處理系統，尤其涉及從主存儲器和一個或更多的超高速緩沖存儲器預取數據的處理系統。更具體地，本發明涉及改進直接存儲器存取及超高速緩沖存儲器的性能改進。

在現代微處理器系統中，隨著技術不斷改進處理器周期時間不斷減小。此外，抽象執行、更深的流水線、更多的執行元件等的設計技術持續改進處理系統的性能。由于處理器需要更迅速地從存儲器得到數據和指令，性能的改進對系統的存儲器接口加上更重的負擔。為了提高處理系統的性能，經常使用超高速緩沖存儲器系統。

技術上周知采用超高速緩存的處理系統。超高速緩存是速度很高的存儲器部件，其通過在最短的等待時間量下可使處理器(“CPU”)得到現用的程序和數據以提高數據處理系統的速度。采用大的片上超高速緩存(L1超高速緩存)以幫助減小存儲器等待時間，并且L1超高速緩存常常通過更大的片外超高速緩存(L2超高速緩存)擴大。超高速緩存充當超高速緩存行數據的存儲區。超高速緩存典型地劃分成“行”，每個行具有相關的“標記”和屬性位組。超高速緩存的各行含有主存儲器數據的拷貝。例如，在超高速緩存中“4K頁面”的數據可定義成由32行來自存儲器的數據所組成，其中每行具有128個字節。

超高速緩存系統背后的主要優點是在快速的超高速緩存中保持最頻繁訪問的指令和數據，從而整個處理系統的平均存儲器存取時間接近超高速緩存的訪問時間。盡管超高速緩存的尺寸只是主存儲器的很小的一部分，由于程序的“訪問點”特性，在快速超高速緩存中可成功地找到大部分的存儲器請求。該特性把存儲器訪問限制在存儲器的一些局部區域(在本例下，L1和L2)中。

超高速緩存的基本操作是周知的。當處理器需要訪問存儲器時，檢查超高速緩存。若在超高速緩存中找到處理器尋址的字時，則從快速的超高速緩存讀該字。若未在超高速緩存中找到處理器尋址的字，則訪問主存儲器以讀該字。接著把含有該被訪問的字的一個字塊從主存儲器轉移到超高速緩存中。以這種方式，把附加的數據轉移到超高速緩存中(預取)，從而對存儲器的此后訪問有可能在快速的超高速緩存中找到所要的字。

經常實施預取技術以事先向片上L1超高速緩存提供存儲器數據以減少等待時間。理想地，足夠提前地預取數據和指令從而當處理器需要時L1超高速緩存中總存在所需指令和數據的拷貝。技術上對指令和/或數據的預取是周知的。

在需要高的I/O直接存儲器存取(DMA)性能的系統(例如，圖形系統)中，典型地可按如下管理送往I/O的系統存儲器數據：

1)系統處理器通過一系列的對系統存儲器空間中的一組4K字節(4K)頁面緩沖器的存儲而生成數據。這使得在L1/L2超高速緩存中把數據標成“修改過的”(在超高速緩存中有效，不對系統存儲器回寫)。

2)處理器啟動I/O部件以執行對這些生成的4K頁面的DMA“讀”。

3)I/O部件進行一系列的對系統存儲器的讀入。

4)以I/O部件名義執行DMA操作的PCI主橋路預取并且高速緩存“共享”(在超高速緩存中有效，在系統存儲器中有效)狀態下的數據。當PCI主橋路讀數據時L1/L2把各數據超高速緩存行從“修改過的”狀態改變到“共享”狀態(即，L1/L2介入并一起把數據直接提供給或“推到”可對該數據的存儲器中)。

5)當DMA部件結束時，可重新使用4K緩沖器組(即，軟件具有一組固定的通過其中流通數據的緩沖器)。

為了保持DMA?I/O性能，PCI主橋路可包含它自己的超高速緩存，以用于預取/高速緩存共享狀態下的數據。這允許把DMA數據移近數據使用者(例如，I/O部件)以使DMA“讀”的性能最高。當PCI主橋路在系統總線上發布可高速緩存的讀時，由于PCI主橋路執行可高速緩存的讀使得L1/L2從“修改過的”狀態變到“共享的”狀態。當軟件希望重新使用該4K頁面的超高速緩存空間以存儲新的DMA數據時，由于L1/L2超高速緩存中的每行已變成“共享”狀態，該狀態改變行為會產生性能上的損失。為了進行新的存儲，L1/L2必須對每行執行一個系統總線命令以表明行已從“共享的”轉到“修改過的”。必須對4K頁面中的每個高速緩存行(共有32行)這樣做，即使其舊數據沒有用(PCI主橋路需要該數據現在是無效的指示)。在新的存儲可被執行前必須在系統總線上完成這些附加的存儲器相容性業務即這32個系統總線命令以改變所有這些超高速緩存行的狀態，會明顯地降低處理器性能。