[發(fā)明專利]用于更新遠程處理節(jié)點中的地址轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換管理指令

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201380064530.6
• 申請日: 2013-11-28
• 公開（公告）號: CN104854568A
• 公開（公告）日: 2015-08-19
• 發(fā)明（設(shè)計）人: A.J.穆夫;P.E.沙特;R.A.希勒;M.R.圖布斯
• 申請（專利權(quán)）人: 國際商業(yè)機器公司
• 主分類號: G06F12/10
• 分類號: G06F12/10
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務所 11105
• 代理人: 周少杰

背景

本發(fā)明通常涉及數(shù)據(jù)處理，特別是處理器架構(gòu)和納入其中的地址轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

存儲器管理，即，在管理存儲在計算機中的數(shù)據(jù)時所發(fā)生的操作，通常是計算機整體系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。除了其他任務之外，存儲器管理監(jiān)督計算機中數(shù)據(jù)的檢索和存儲，以及通過對哪些用戶和計算機程序被允許訪問施加限制來管理計算機的某些安全任務。

現(xiàn)代計算機一般情況下依賴于被稱為虛擬存儲器管理的存儲器管理技術(shù)來提高性能，并且在計算機和他們被以之為前提的底層架構(gòu)設(shè)計上提供更大的靈活性。使用虛擬存儲器系統(tǒng)，實現(xiàn)計算機存儲系統(tǒng)的底層的硬件被有效地相對于計算機軟件隱藏起來。為這樣的計算機定義相對比較大的虛擬存儲空間，例如，寬度為64位或更多，執(zhí)行在該計算機上的計算機程序使用指向虛擬存儲空間中的位置的虛擬地址訪問存儲系統(tǒng)。然而，計算機中的物理存儲設(shè)備，通過直接映射到物理存儲設(shè)備中的特定存儲位置的“真實”地址而被訪問。提供計算機中的硬件和/或軟件來執(zhí)行“地址轉(zhuǎn)換”以映射物理存儲器的實際存儲地址到虛擬存儲空間中的虛擬地址。這樣，無論何時在計算機上的計算機程序試圖使用虛擬地址訪問存儲器，計算機自動將虛擬地址轉(zhuǎn)換為對應的真實地址，以便可以訪問映射到虛擬地址的適當?shù)奈锢碓O(shè)備上的合適位置。

虛擬尋址的一個特征是對計算機來說不需要在計算機的主存儲器的物理存儲設(shè)備中包括用于整個虛擬存儲空間的存儲器。相反，較低級別的存儲，如磁盤驅(qū)動器和其他大容量存儲設(shè)備，可作為輔助存儲，其中存儲器地址分組成根據(jù)需要在主存儲器和輔助存儲器之間互換的“頁”。由于計算機中的訪問請求的頻率，地址轉(zhuǎn)換可以對整體系統(tǒng)性能有重要的影響。因此，需要減少在執(zhí)行地址轉(zhuǎn)換所在的關(guān)鍵時序路徑相關(guān)聯(lián)的處理開銷。

虛擬存儲系統(tǒng)中的地址轉(zhuǎn)換一般情況下包含訪問不同的地址轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。一個這樣的結(jié)構(gòu)，稱為頁表，包括在逐頁基礎(chǔ)上將虛擬地址映射到真實地址的多個記錄(entry)。通常，由于不斷發(fā)生在一個計算機中的大量的存儲器訪問，需要由計算機映射到所有的使用的存儲器地址空間的記錄數(shù)量可能非常大，并要求這些記錄被存儲在主存儲器中，而不是存儲在專用存儲器中，這使得訪問這些記錄非常慢。為了加速使用這樣方案的地址轉(zhuǎn)換，稱為轉(zhuǎn)換后備緩沖器(TLB)的高速存儲器用于緩存最近使用的記錄以便由計算機快速存取。如果所需的記錄未存儲在TLB中，從主存儲器加載記錄就會發(fā)生性能損失；然而，一般情況下在TLB的命中率是足夠的，從主存儲器加載記錄相關(guān)聯(lián)的損失比立刻從TLB訪問記錄時的性能增加的補償要大。在其他的設(shè)計中，通過利用一個或多個有效到真實地址轉(zhuǎn)換(ERAT)表，額外的緩存層級可用于進一步的加速性能。此外，在某些設(shè)計中，在處理器中靠近指令和數(shù)據(jù)處理邏輯處分別提供單獨的ERAT數(shù)據(jù)和指令，從而減小處理器中關(guān)鍵性能路徑上的地址轉(zhuǎn)換的影響。

此外，隨著半導體技術(shù)就增加時鐘速度而言不斷推近到可實現(xiàn)的限制，架構(gòu)師們越來越注重處理器架構(gòu)的并行性以獲得性能的改善。在芯片級，多處理核經(jīng)常布置在同一芯片上，以與單獨的處理器芯片大致相同的方式工作，或在某種程度上，作為完全獨立的計算機工作。此外，即使在核內(nèi)，通過采用多個專門處理某些類型操作的執(zhí)行單元來使用并行機制。在許多情況下還使用流水線操作，以便某些可能需要多個時鐘周期執(zhí)行的操作被分成幾個階段，使早期操作完成之前就開始其他操作。同時也使用多線程，使得多個指令流能被并行處理，使在任何給定的時鐘周期中執(zhí)行更多的全局工作。

結(jié)果是，現(xiàn)在許多數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)包括多個互連的處理節(jié)點，其通過相同的網(wǎng)絡(luò)彼此連接，通常布置在同一芯片或集成電路器件上。而在一些設(shè)計中處理節(jié)點可以是彼此相同的，在其他設(shè)計中處理節(jié)點可以是異構(gòu)的，包括不同的功能，使得整個系統(tǒng)可以處理各種類型的工作負載。例如，一些處理節(jié)點可以是能夠運行通用工作負載的通用處理節(jié)點，而其他處理節(jié)點可能更專業(yè)化，特別是輔助通用處理節(jié)點處理特定的任務。例如，專業(yè)的處理節(jié)點，可能是加速器或協(xié)處理器，可用于處理各種各樣的任務，例如高級的算術(shù)運算，加密/解密，壓縮/解壓縮，圖形，視頻或圖像處理等。然而，在許多情況下，這些專門處理節(jié)點被通用處理節(jié)點管理，以在請求時執(zhí)行特定的任務。

當多個處理節(jié)點連接到同一網(wǎng)絡(luò)、尤其是共享相同的物理存儲器時，在每個處理節(jié)點可以提供專用地址轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來高速緩存轉(zhuǎn)換記錄，從而加快這些處理節(jié)點的存儲器訪問。然而，在許多情況下，工作負載可以分布在多個處理節(jié)點，因此可能引入延遲，因為工作在相同的工作負載的不同的處理節(jié)點為存儲在共享存儲器中的任何數(shù)據(jù)高速緩存相同的轉(zhuǎn)換記錄。